La production d'acier et d'alliages contribue à environ 8 % des émissions mondiales de CO₂. Face à l'urgence des objectifs « double carbone », le remplacement du charbon par de l'hydrogène vert pour réduire les oxydes métalliques a toujours été la voie idéale dans le domaine de la métallurgie. Cependant, la lenteur et la faible efficacité de la réaction de l'hydrogène à des températures moyennes et basses limitent depuis longtemps l'application industrielle de cette technologie.

Récemment, une équipe de collaboration entre l'Université Xi'an Jiaotong et l'Institut Max-Planck pour les matériaux durables en Allemagne a publié une étude révolutionnaire dans Nature Synthesis. Pour la première fois, ils ont révélé un tout nouveau mécanisme de « catalyse solide-solide » en introduisant de l'oxyde de nickel comme précurseur catalytique dans le minerai de fer, réussissant ainsi à doubler la cinétique de réduction à base d'hydrogène. Cette découverte ouvre une voie viable, alliant efficacité et coût, pour la transition bas carbone de la production d'acier et d'alliages.

La métallurgie à l'hydrogène est « verte », mais « lente »

La fabrication traditionnelle de la fonte en haut-fourneau repose sur le coke, un processus non seulement énergivore, mais aussi accompagné d'importantes émissions de CO₂. La technologie de réduction directe à base d'hydrogène utilise de l'hydrogène vert comme agent réducteur, permettant théoriquement des émissions de carbone quasi nulles et promettant de simplifier le processus traditionnel en plusieurs étapes de « réduction du minerai - fusion - alliage » en une réduction directe solide en une seule étape.

Cependant, il existe un fossé entre l'idéal et la réalité, appelé « cinétique de réaction ». À des températures moyennes et basses, la vitesse de réduction des oxydes de fer par l'hydrogène est très lente, ce qui affecte directement l'efficacité de la production et la rentabilité. Comment améliorer considérablement le taux de réduction tout en maintenant l'avantage bas carbone est un défi clé que la communauté métallurgique mondiale doit relever de toute urgence.

De l'« attente passive » à la « catalyse active »

L'équipe du professeur Zhou Xuyang de l'École des matériaux de l'Université Xi'an Jiaotong, en collaboration avec l'Institut Max-Planck allemand, a proposé une stratégie de « catalyse solide-solide » révolutionnaire.

Génération « in situ » du catalyseur : L'équipe de recherche a mélangé de l'oxyde de nickel (NiO) dans de l'oxyde de fer (Fe₂O₃). Sous atmosphère d'hydrogène, l'oxyde de nickel est réduit en priorité, générant in situ du nickel métallique nanoporeux. Ce nickel poreux généré in situ possède une surface spécifique plus grande et une activité catalytique plus élevée que la poudre de nickel métallique ajoutée directement.

L'effet « d'hydrogène par débordement » accélère la réduction : Le nickel poreux généré in situ forme une interface métal-oxyde dynamique avec les oxydes de fer adjacents. Cette interface agit comme une « usine catalytique » efficace, favorisant la dissociation des molécules d'hydrogène (H₂) et, via l'effet « d'hydrogène par débordement », transportant efficacement les atomes d'hydrogène actifs dissociés vers la surface de l'oxyde de fer, accélérant ainsi considérablement l'élimination de l'oxygène et le processus de réduction du fer.

Formation « simultanée » de l'alliage : Plus surprenant encore, ce mécanisme non seulement accélère la réduction, mais contourne également la voie traditionnelle de formation d'alliage. L'étude a révélé que l'alliage fer-nickel ne se forme pas lentement après la réduction complète du fer, mais se génère simultanément au cours du processus de réduction. L'interface dynamique favorise l'entrée directe des atomes de fer dans le réseau cubique à faces centrées (cfc) du nickel, contournant le long processus de nucléation de la phase de fer cubique centrée (cc) traditionnelle.

Les chiffres parlent, les résultats sont significatifs

Cette étude a confirmé ce mécanisme à l'échelle atomique grâce à des moyens avancés tels que la diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron in situ et la microscopie électronique à transmission à balayage quadridimensionnelle. Les données expérimentales montrent un fort potentiel d'application industrielle :

Cinétique doublée : À 700 °C, l'introduction d'oxyde de nickel réduit d'environ la moitié le temps de réduction de l'oxyde de fer, doublant ainsi la cinétique globale de réduction.

Température de réduction abaissée de 100 °C : Dans des conditions de chauffage continu simulées en industrie, l'ajout de nickel ou d'oxyde de nickel abaisse la température de début de réduction de l'oxyde de fer d'au moins 100 °C.

Ouvrir une nouvelle voie pour l'acier vert et les alliages haut de gamme

Cette étude offre une perspective entièrement nouvelle pour la métallurgie à base d'hydrogène : grâce à l'effet de catalyse solide-solide, la production d'alliages à base d'hydrogène peut non seulement être plus durable que les procédés traditionnels, mais aussi obtenir des avantages cinétiques et commerciaux.

Du point de vue des perspectives d'application, cette stratégie pourrait offrir de nouvelles idées pour la fabrication verte d'une série de systèmes d'alliages clés, tels que les aciers au nickel, les aciers inoxydables, les alliages à faible dilatation, les aciers à haute résistance et les matériaux pour applications cryogéniques. En couplant la réduction des oxydes avec le processus d'alliage, cette méthode pourrait réduire la dépendance aux procédés métallurgiques traditionnels nécessitant une fusion à haute température et un traitement d'homogénéisation prolongé.

Ce résultat, fruit de la collaboration entre l'Université Xi'an Jiaotong et l'Institut Max-Planck allemand, a franchi le goulot d'étranglement cinétique de la métallurgie à l'hydrogène à des températures moyennes et basses, démontrant l'énorme potentiel de la collaboration interdisciplinaire et transnationale pour faire passer la science fondamentale à l'application industrielle.