金屬生產產生的二氧化碳佔全球二氧化碳的 10%₂排放量，鐵生產排放兩噸二氧化碳₂每生產一噸金屬，鎳生產就會排放 14 噸二氧化碳₂每噸甚至更多，取決於所使用的礦石。

這些金屬構成了低熱膨脹合金（稱為因瓦合金）的基礎。它們對於航空航太、低溫運輸、能源和精密儀器領域至關重要。

認識到對環境的影響，馬克斯普朗克永續材料研究所 (MPI-SusMat) 的科學家現已開發出一種新方法，可以在不排放二氧化碳的情況下生產因瓦合金₂同時節省大量能源，透過將金屬提取、合金化和熱機械加工整合到單一反應器和製程步驟中的單步驟製程來實現這一目標。

他們的方法消除了萃取冶金和物理冶金之間的一些經典界限，激發了在一次固態操作中將氧化物直接轉化為具有應用價值的產品。他們的發現是發表在日記中自然。

一步冶金可節省能源和二氧化碳₂

「我們問自己：我們能否直接從礦石或氧化物中生產出具有近乎優化的微觀結構-性能組合的合金，二氧化碳含量為零₂排放？ 」MPI-SusMat 洪堡研究員、該出版物的第一作者 Shaolou Wei 博士說。

傳統的合金生產通常分為三個步驟：首先，將礦石還原成金屬形式，然後混合液化元素以製造合金，最後進行熱機械處理以獲得所需的性能。每個步驟都是能源密集的，並且依賴碳作為能量載體和還原劑，從而產生大量的二氧化碳₂排放。

「關鍵的想法是了解每種元素的熱力學和動力學，並使用在700°C 左右具有相似還原性和可混合性的氧化物，」魏博士繼續說道，「這個溫度遠低於本體熔點，這仍然使我們能夠從氧化物狀態中提取金屬並通過單一固態製程步驟混合成合金，無需重新加熱。

與使用碳還原礦石的傳統方法不同，傳統方法會產生碳污染的金屬，該團隊的新方法使用氫作為還原劑。MPI-SusMat 董事總經理、該研究的通訊作者 Dierk Raabe 教授解釋說：“使用氫代替碳有四個關鍵優勢。”

「首先，基於氫的還原僅產生水作為副產品，這意味著零二氧化碳₂排放。其次，它直接產生純金屬，無需從最終產品中去除碳，從而節省時間和能源。第三，我們在相對較低的溫度下以固態進行該過程。第四，我們避免了傳統冶金製程的頻繁冷卻和再加熱特性。

使用該技術生產的因瓦合金不僅具有傳統生產的因瓦合金的低熱膨脹特性，而且由於該工藝自然繼承的細化晶粒尺寸，因此還具有卓越的機械強度。

升級至工業規模

馬克斯普朗克科學家已經證明，透過快速、無碳和節能的製程生產因瓦合金不僅是可能的，而且前景看好。然而，擴展這種方法以滿足工業需求面臨三個關鍵挑戰：

首先，雖然研究人員使用純氧化物進行概念驗證研究，但工業應用可能涉及傳統的、富含雜質的氧化物。這就需要調整製程來處理精煉程度較低的材料，同時保持合金品質。

其次，在還原過程中使用純氫雖然有效，但對於大規模操作來說成本高。該團隊目前正在高溫下進行較低氫氣濃度的實驗，以找到氫氣使用和能源成本之間的最佳平衡，使該過程在工業上更加經濟可行。

第三，雖然目前的方法使用無壓燒結，但以工業規模生產精細粗化的散裝材料可能需要增加壓制步驟。將機械變形納入同一製程可以進一步增強材料的結構完整性，同時保持生產流程的簡化。

展望未來，這一一步流程的多功能性開啟了新的可能性。由於鐵、鎳、銅和鈷都可以透過這種方式加工，因此高熵合金可能成為下一個焦點。這些合金以其在多種成分中保持獨特性能的能力而聞名，具有開發新材料的潛力，例如軟磁合金，是高科技應用的理想選擇。

另一個有希望的方向可能是使用冶金廢棄物代替純氧化物。通過去除廢料中的雜質，這種方法可以將工業副產品轉化為有價值的原料，進一步提高金屬生產的可持續性。

透過消除對高溫的需要化石燃料，這種一步式氫基製程可以大幅減少合金生產的環境足跡，為冶金業更綠色、更永續的未來鋪路。