fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l’Institut Max-Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) a découvert que l’ajout d’oxydes métalliques spécifiques comme précurseurs catalytiques dans la production de métaux à base d’hydrogène permet de doubler la cinétique de réduction par rapport à un processus sans catalyseur, tout en réduisant la consommation d’énergie.
La production d’acier et de métaux est l’une des principales sources d’émissions de gaz à effet de serre, représentant environ 10 % des émissions mondiales de CO₂. La production de métaux à base d’hydrogène offre une alternative sans CO₂, intégrant la réduction, l’alliage et la conception microstructurale en une seule étape de production. Cependant, la cinétique lente de réduction des minerais métalliques à des températures inférieures à 800 °C freine l’adoption généralisée de cette technologie. L’équipe du MPI-SusMat avait déjà démontré que le procédé de réduction à base d’hydrogène pouvait fusionner le processus de production traditionnel en trois étapes en une seule. La dernière découverte de l’équipe montre que l’ajout d’oxyde de nickel lors de la réduction par hydrogène du minerai de fer en alliage fer-nickel renforce ce processus. L’oxyde de nickel est co-réduit, formant du nickel nanoporeux en tant que phase transitoire, qui devient un précurseur catalytique hautement actif pour la réduction de l’oxyde de fer. La tomographie par sonde atomique combinée à la microscopie électronique en transmission révèle que lorsque l’oxyde de nickel se réduit rapidement en nickel métallique poreux, il se lie aux oxydes de fer adjacents et forme des interfaces. À ces interfaces, l’hydrogène interagit avec le nickel, se décompose en atomes d’hydrogène hautement réactifs, qui migrent ensuite vers la surface des oxydes de fer adjacents — un processus appelé « spillover » de l’hydrogène — accélérant ainsi la réaction de réduction. La réduction peut être amorcée à des températures aussi basses que 300 °C, bien en dessous du point d’inflammation de l’hydrogène. L’alliage contenant du nickel ainsi produit est un alliage mère important, largement utilisé dans les aciers inoxydables 304 et 316, ainsi que dans les aciers à haute résistance et les aciers cryogéniques destinés aux secteurs automobile, énergétique et médical.
Les chercheurs indiquent que, bien que d’autres oxydes de métaux de transition n’aient pas encore été systématiquement évalués, des éléments aux propriétés similaires, comme le cobalt, devraient présenter un comportement catalytique analogue. Des oxydes tels que TiO₂, bien que difficilement réductibles, pourraient favoriser le « spillover » de l’hydrogène en offrant une surface active. Ces résultats montrent que la formation d’alliages et la réduction peuvent se produire simultanément, plutôt que selon la séquence traditionnelle de réduction suivie d’interdiffusion. Ce couplage de processus renforcé par des catalyseurs à base d’oxydes métalliques permet d’atteindre des températures de réduction plus basses, des temps de traitement plus courts et une consommation d’énergie réduite, ouvrant ainsi une voie durable en une seule étape pour la production d’alliages mères fer-nickel. Au MPI-SusMat, la production durable de métaux et d’alliages est explorée en combinant approches expérimentales et théoriques. Une compréhension approfondie de ces mécanismes de couplage est essentielle pour guider le développement de la prochaine génération de technologies de réduction plus durables et plus rentables. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Synthesis, le premier auteur de l’article étant le Dr Xinren Chen, chercheur postdoctoral au MPI-SusMat, et l’auteur correspondant le professeur Dierk Raabe, directeur général du MPI-SusMat.
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