氧化物混合物中直接还原温度降低的热力学机制解析及其在可持续金属生产中的应用

为应对传统金属生产高能耗、高碳排放的挑战，研究人员通过CALPHAD热力学计算和氢基直接还原(HyDR)实验，揭示了Fe2O3-Cr2O3混合体系协同降低还原温度的机制，提出"多组分埃林汉姆图"新方法，为绿色冶金提供理论指导。

　　

金属材料是现代工业的基石，但传统冶金工艺依赖化石燃料还原剂，消耗全球10%能源并贡献40%工业碳排放。其中，Cr₂O₃等稳定氧化物需1100°C以上高温才能被氢气还原，成为绿色冶金的瓶颈。Shiv Shankar等人在《Materials Today》发表的研究，通过创新性混合氧化物策略，将Cr₂O₃还原温度降低200°C，为碳中和目标下的金属生产开辟新路径。

研究采用CALPHAD（相图计算）热力学模拟与实验验证相结合的方法。关键技术包括：1）通过Thermo-Calc软件计算Fe-Cr-O和Ni-Cr-O体系的氧分压(p_O2)；2）球磨制备Fe₂O₃-Cr₂O₃混合粉末；3）热重分析(TGA)监测氢还原过程；4）X射线衍射(XRD)和原子探针断层扫描(APT)表征相组成与元素分布。

【热力学计算预测混合氧化物的还原性】

通过建立金属-氧化物平衡模型，发现Fe-10Cr混合体系在900°C时p_O2达2.75×10^-31，显著低于纯Cr₂O₃。计算表明Cr在Fe中的低化学活性（900°C时<0.1）是驱动还原的关键，据此首次构建"多组分埃林汉姆图"。

【氢基直接还原实验验证】

TGA显示Fe-10Cr混合物在1100°C保持4小时可实现Cr₂O₃完全还原，XRD检测到BCC相晶格膨胀（2.869→2.870 ?），APT证实界面处存在3.24 at.% Cr溶解和0.73 at.% Fe反向扩散至氧化物。

【混合氧化物还原机制】

提出"溶解-稳定化"模型：1）Fe作为Cr的基体降低其化学活性；2）形成纳米级界面过渡区促进互扩散；3）延长保温时间克服动力学限制。实验测得1100°C时Fe-50Cr体系的Cr₂O₃还原度仅4.63%，证实高Cr含量会削弱热力学驱动力。

该研究突破传统单氧化物还原思维，阐明混合氧化物的协同还原机制。所开发的热力学框架可推广至Ni-Cr、Co-Cr等体系，为直接合金化生产提供普适性指导。通过将Cr₂O₃还原温度从>1100°C降至900°C，预计可减少15-20%冶炼能耗，对实现《巴黎协定》2050年碳中和目标具有重要实践意义。