氢基绿色冶金获新突破一步法合成铁镍合金有新方案
氢基绿色冶金获新突破 一步法合成铁镍合金有新方案
近日，西安交通大学材料学院教授周徐洋与德国马克斯-普朗克可持续材料研究所合作，在氢基绿色冶金与一步法冶金合成方面取得新进展。团队阐明了氧化铁 - 氧化镍共还原的固 - 固催化机制，证实氧化镍可作为催化前驱体，将氢基还原动力学提升约 2 倍，还能推动铁镍合金同步生成。相关成果发表于《自然·合成》。
传统碳基冶金依赖高温生产，存在能耗高、碳排放量大等问题，以氢气为还原剂的氢基冶金，成为金属制造低碳转型的核心方向。氢基固态直接还原可在低温下同步完成氧化物还原、合金化与组织调控，简化传统多步生产流程，但中低温环境下反应速率慢、合金化效率低等问题，始终制约着该技术的落地应用。
氧化镍作为催化前驱体使氢基还原动力学提升约2倍。西安交通大学供图
本研究揭示了氢基冶金中一种此前尚未充分认识的固-固催化机制：可还原金属氧化物在反应过程中原位转化为活性金属相，并通过动态金属-氧化物界面持续促进氢溢流、元素分配和快速合金化。该机制为降低氢基直接还原温度、缩短处理时间、减少能耗并实现一步法合金制备提供了新的理论依据。
从应用角度看，该策略有望为含镍钢、不锈钢、低膨胀合金、高强钢和低温工程材料等合金体系的绿色制造提供新思路。通过将氧化物还原与合金化过程耦合，相关方法有助于减少传统冶金流程中对高温熔炼和后续长时间均匀化处理的依赖。
研究以氧化铁-氧化镍混合氧化物为模型体系，提出利用可还原金属氧化物作为催化前驱体来加速氢基还原的新策略。实验结果表明，在700°C条件下，引入氧化镍后，氧化铁还原达到饱和状态的时间缩短约一半，整体还原动力学较未催化体系提升约2倍；在模拟工业连续升温直接还原的条件下，镍或氧化镍的加入还可使氧化铁还原起始温度降低至少约100°C。
机理上，氧化镍在氢气作用下优先还原，原位生成纳米多孔金属镍。多孔镍与邻近铁氧化物形成动态金属-氧化物界面，促进氢分子解离，并通过氢溢流效应将活性氢传递到铁氧化物表面，从而加快氧的去除和铁氧化物还原。与直接添加金属镍相比，氧化镍在还原过程中原位形成的细小多孔镍具有更大的界面接触面积和更高催化活性，因此表现出更显著的动力学促进作用。
研究证明铁镍合金并非在铁完全还原后再通过传统固态扩散缓慢形成，而是在氧化物还原过程中同步形成。镍富集相与氧化亚铁类中间相界面处的元素分配和界面重构促进铁原子进入面心立方镍晶格，直接生成铁镍合金相，绕开了传统路径中体心立方铁相成核及后续长程扩散的限制。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-026-01086-5