Staalproductie kan een make-over krijgen: studie vangt realtime ijzervorming op de nanoschaal

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Minnesota Twin Cities heeft een nieuwe methode onderzocht om ijzer te produceren, het belangrijkste onderdeel van staal. Voor het eerst konden de onderzoekers chemische reacties en ijzervorming in realtime op de nanometerschaal observeren.

Deze doorbraak heeft het potentieel om de wereldwijde ijzer- en staalproductie -industrie te transformeren door de energie -efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen. De studie was onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Volgens het papier is de ijzer- en staalindustrie de grootste industriële emitter van koolstofdioxide, verantwoordelijk voor ongeveer 7% van de totale wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide. Traditionele methoden voor het produceren van ijzer zijn vervuiling zwaar, afhankelijk van cola-een type steenkool-om zuurstof uit ijzererts te verwijderen-een proces dat al eeuwen grotendeels ongewijzigd is gebleven.

Deze methode elimineert de CO₂ emissies die traditioneel voortkomen uit het maken van ijzer die bij kamertemperatuur kan worden uitgevoerd. Dit maakt het potentieel efficiënter en wenselijker voor de industrie en opent nieuwe paden naar innovatie in de in de VS gevestigde productie-industrie.

Het nieuwe proces maakt gebruik van waterstofgasplasma, een geïoniseerd gas dat het waterstofgas dissocieert, waardoor een overvloed aan zeer reactieve waterstofatomen produceert. Wanneer het ijzer aan dit plasma wordt blootgesteld, ontdoen de zeer reactieve waterstofatomen de zuurstof van het erts dat zuiver ijzer- en waterdamp produceert.

“We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee we plasma-materiële interacties op de nanometerschaal kunnen volgen, wat nog nooit eerder is gedaan”, zei Jae Hyun Nam, eerste auteur op het papier en een Ph.D. Student van de Universiteit van Minnesota Department of Mechanical Engineering.

Het team werkte samen met Hummingbird Scientific, een bedrijf dat producten bouwt voor elektronen-, röntgenfoto- en ionenmicroscopie, om een ​​gespecialiseerde houder te creëren die in een transmissie-elektronenmicroscoop past.

“Het overwinnen van de technische uitdagingen van dit onderzoek was een van de moeilijkste experimenten die we hebben gedaan,” zei Peter Bruggeman, een senior auteur op de krant en de Universiteit van Minnesota onderscheidde McKnight University Professor in de afdeling Werktuigbouwkunde. “Het genereren van plasma’s op een schaal rond de grootte van een menselijk haar, dat nodig is om de nanometerresolutie te verkrijgen, creëert belangrijke technische uitdagingen die we samen met Hummingbird Scientific hebben aangepakt.”

Eerdere optische methoden konden alleen worden bekeken bij een paar honderd nanometer – ongeveer duizend keer kleiner dan de diameter van een menselijk haar. Met deze nieuwe methode kunnen onderzoekers dingen zien met een nanometerresolutie, die 100 keer beter is dan eerder onderzoek.

“Het creëren van plasma kan energetisch veel efficiënter zijn dan het verwarmen van het materiaal,” zei Andre Mkhoyan, een senior auteur op de krant, professor en Ray D. en Mary T. Johnson -voorzitter van de University of Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science. “Deze innovatie kan ertoe leiden dat materialen worden gewijzigd met een lager energieverbruik, waardoor processen uiteindelijk economisch efficiënter worden.”