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马普所氢基零碳法颠覆镍冶炼，每生产1吨镍“省下”14吨CO₂

2025-08-20 20:04:39 来源：SMM

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简介：德国马普可持续材料研究所（MPI-SusMat）在《Nature》发文，首次将金属提取、合金化与热加工整合为单一固态步骤：以氢气直接还原铁镍氧化物，700 ℃即可制得高性能Invar合金。新工艺把传统“14 t CO₂ / t Ni”的排放降至近零，能耗同步下降，并兼具晶粒细化强化效应，为铁、镍、铜、钴乃至高熵合金的绿色制造打开全新路径。

从红土镍矿到电解镍，现行流程需经过“焙烧-还原-熔炼-电解”四大环节，碳基还原剂、高温熔炼和电力消耗叠加，使每生产1吨镍平均排放14吨CO₂。全球镍需求随电动化激增，若按现有技术，2030年镍冶金的年排放量将接近1亿吨CO₂当量，成为金属行业减碳的“重灾区”。

MPI-SusMat团队将氧化铁、氧化镍粉末在700 ℃、固态条件下与纯氢反应，一步完成金属还原与合金化，副产物仅为水蒸气。关键创新在于：氢还原＋固态扩散：避免1600 ℃高温熔炼，能耗下降约30%；晶粒细化：快速固态转变使Invar合金晶粒尺寸<5 μm，屈服强度提升20%，仍保持<1 ppm/℃的低膨胀系数；通用性强：工艺同样适用于铜、钴、铁等多组元氧化物，可一步制得高熵合金或软磁合金。

实验室规模已扩大至10 kg级连续化流化床，氢气循环利用率>95%，金属回收率>98%。德国Thyssenkrupp Materials正与MPI-SusMat合作，计划2026年在杜伊斯堡建设1000吨/年中试线，目标是为电动汽车电机用Invar合金提供“零碳”原料。若技术推广至全球30%的镍产量，年减排潜力可达3000万吨CO₂，相当于德国全年工业排放的15%。

该工艺可直接处理含镍废催化剂、不锈钢粉尘等二次资源，实现“废料—氧化物—合金”闭环。欧盟“Fit for 55”方案已将氢基冶金列为重点资助方向，下一步将推动碳边境调节机制（CBAM）把零碳镍列为“绿色溢价”产品，预计每吨可享50-80美元溢价，为技术出口创造政策红利。

马普所的一步氢基合金法，把“高能耗、高排放”的镍冶金简化为低温、零碳的固态反应，既破解了金属行业减碳难题，也为高熵合金、软磁合金等高端材料打开了绿色制造大门。从实验室10 kg到千吨级中试，再到全球产业复制，这项技术或将彻底改写百年冶金流程，让“零碳金属”从概念走向现实。