镁氟化物催化氧化镁真空碳热还原性能研究：高效绿色冶金新策略

针对传统镁冶炼工艺还原效率低、环境污染严重等问题，研究人员创新性地采用MgF2 替代CaF2 作为催化剂，开展MgO真空碳热还原研究。通过热力学计算和实验验证，证实MgF2 可使还原效率提升至81.27%，镁冷凝物纯度达79.39%，且无有害废渣产生。该研究为镁冶金行业提供了经济环保的新方案，符合可持续发展战略。

　　

镁作为21世纪最具潜力的绿色工程材料，在汽车工业、生物医疗、能源存储等领域具有不可替代的战略价值。然而，当前中国占全球95%产量的硅热法镁冶炼工艺面临高能耗、高CO₂
排放和固体废渣污染等严峻挑战。虽然真空碳热还原法理论上更环保，但其核心瓶颈在于还原效率低下，传统CaF₂
催化剂又会引入钙污染和废渣问题。如何突破这一"绿色悖论"，成为制约镁产业可持续发展的关键难题。

针对这一挑战，河北邢台凯镁新材料科技有限公司联合研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表创新成果。研究人员开创性地提出以MgF₂
替代CaF₂
的新型催化体系，通过HSC 6.0和FactSage 8.0热力学模拟结合自主设计的真空还原炉实验，系统探究了MgO-C-MgF₂
体系的反应机制。研究采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）等表征手段，结合电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量分析，揭示了MgF₂
的催化机理与工艺优化路径。

3.1 热力学计算
研究首先通过吉布斯自由能（ΔG^θ
）计算证实：在30-90 Pa真空度和800-2000 K条件下，MgF₂
不与MgO或碳发生直接反应，仅通过F^-
破坏MgO晶格对称性来降低活化能。当压力降至30 Pa、温度达1446 K时，MgO+C→Mg(g)+CO(g)反应自发进行，这为实验参数设定提供了理论依据。

3.2 实验研究
在1723 K恒温实验中，添加7% MgF₂
可使物料失重率从28.37%提升至81.27%，且延长保温时间至2小时效果更显著。SEM显示MgF₂
使MgO颗粒尺寸减小、分散度增加；XPS证实反应后MgF₂
仍保持稳定化学态，说明其催化而非反应物属性。

3.2.2 冷凝物分析
所得镁晶体呈典型棒状结构，XRD显示其结晶度良好但含有微量MgO（源自Mg与CO的逆反应）。EPMA元素 mapping 显示延长保温时间可使镁晶体尺寸增大、表面致密化，将纯度从77.38%提升至79.39%。这种"自保护"晶体结构能有效抑制CO渗透，减少逆反应发生。

3.3 技术优势评估
相比传统CaF₂
催化剂，MgF₂
不仅将还原效率提高14.74%，还避免产生含氟钙渣，且催化剂成本降低16.9%（$9.07/kg）。整个工艺原料可循环利用，完全符合清洁生产标准。

这项研究开创了镁冶炼"催化-结构-性能"协同调控的新范式。MgF₂
通过独特的F^-
活化机制，在提升还原动力学性能的同时，巧妙规避了元素污染和废渣难题。所获高纯度镁晶体为汽车轻量化、医用镁合金等高端应用提供了优质原料。未来通过优化冷凝系统抑制逆反应、开发镁粉收集技术，该工艺有望推动全球镁产业向绿色低碳转型，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。