金属生产产生的二氧化碳占全球二氧化碳的 10%₂排放量，铁生产排放两吨二氧化碳₂每生产一吨金属，镍生产就会排放 14 吨二氧化碳₂每吨甚至更多，取决于所使用的矿石。

这些金属构成了低热膨胀合金（称为因瓦合金）的基础。它们对于航空航天、低温运输、能源和精密仪器领域至关重要。

认识到对环境的影响，马克斯·普朗克可持续材料研究所 (MPI-SusMat) 的科学家们现已开发出一种新方法，可以在不排放二氧化碳的情况下生产因瓦合金₂同时节省大量能源，通过将金属提取、合金化和热机械加工集成到单个反应器和工艺步骤中的单步工艺来实现这一目标。

他们的方法消除了萃取冶金和物理冶金之间的一些经典界限，激发了在一次固态操作中将氧化物直接转化为具有应用价值的产品。他们的发现是发表在日记中自然。

一步冶金可节省能源和二氧化碳₂

“我们问自己：我们能否直接从矿石或氧化物中生产出具有近乎优化的微观结构-性能组合的合金，二氧化碳含量为零₂排放？”MPI-SusMat 洪堡研究员、该出版物的第一作者 Shaolou Wei 博士说。

传统的合金生产通常分为三步：首先，将矿石还原成金属形式，然后混合液化元素以制造合金，最后进行热机械处理以获得所需的性能。每个步骤都是能源密集型的，并且依赖碳作为能量载体和还原剂，从而产生大量的二氧化碳₂排放。

“关键的想法是了解每种元素的热力学和动力学，并使用在 700°C 左右具有相似还原性和可混合性的氧化物，”魏博士继续说道，“这个温度远低于本体熔点，这仍然使我们能够从氧化物状态中提取金属并通过单一固态工艺步骤混合成合金，无需重新加热。”

与使用碳还原矿石的传统方法不同，传统方法会产生碳污染的金属，该团队的新方法使用氢作为还原剂。MPI-SusMat 董事总经理、该研究的通讯作者 Dierk Raabe 教授解释说：“使用氢代替碳有四个关键优势。”

“首先，基于氢的还原仅产生水作为副产品，这意味着零二氧化碳₂排放。其次，它直接产生纯金属，无需从最终产品中去除碳，从而节省时间和能源。第三，我们在相对较低的温度下以固态进行该过程。第四，我们避免了传统冶金工艺的频繁冷却和再加热特征。”

使用该技术生产的因瓦合金不仅具有传统生产的因瓦合金的低热膨胀特性，而且由于该工艺自然继承的细化晶粒尺寸，因此还具有卓越的机械强度。

升级至工业规模

马克斯普朗克科学家已经证明，通过快速、无碳和节能的工艺生产因瓦合金不仅是可能的，而且前景广阔。然而，扩展这种方法以满足工业需求面临三个关键挑战：

首先，虽然研究人员使用纯氧化物进行概念验证研究，但工业应用可能涉及传统的、富含杂质的氧化物。这就需要调整工艺来处理精炼程度较低的材料，同时保持合金质量。

其次，在还原过程中使用纯氢虽然有效，但对于大规模操作来说成本高昂。该团队目前正在高温下进行较低氢气浓度的实验，以找到氢气使用和能源成本之间的最佳平衡，使该过程在工业上更加经济可行。

第三，虽然目前的方法使用无压烧结，但以工业规模生产精细粗化的散装材料可能需要增加压制步骤。将机械变形纳入同一工艺中可以进一步增强材料的结构完整性，同时保持生产流程的简化。

展望未来，这一一步流程的多功能性开辟了新的可能性。由于铁、镍、铜和钴都可以通过这种方式加工，因此高熵合金可能成为下一个焦点。这些合金以其在多种成分中保持独特性能的能力而闻名，具有开发新材料的潜力，例如软磁合金，是高科技应用的理想选择。

另一个有希望的方向可能是使用冶金废物代替纯氧化物。通过去除废料中的杂质，这种方法可以将工业副产品转化为有价值的原料，进一步提高金属生产的可持续性。

通过消除对高温的需要化石燃料，这种一步式氢基工艺可以大大减少合金生产的环境足迹，为冶金业更绿色、更可持续的未来铺平道路。