综述：利用绿色电力推动的高温电解炼铁技术以实现脱碳：评估熔盐电解和熔氧化物电解两种工艺路线

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：High-temperature electrolytic ironmaking driven by green electricity toward decarbonization: Evaluating molten salt electrolysis and molten oxide electrolysis routes

　　

王振|刘梦梦|徐仁泽

北京科技大学能源与环境工程学院，北京，100083，中国

摘要

钢铁行业面临着紧迫的脱碳挑战，这推动了以绿色电力为驱动的电化学炼铁工艺的发展。其中，高温电解技术（包括熔盐电解和熔融氧化物电解（MOE）已成为实现近乎零碳钢铁生产的有前景的途径。本文从还原机制、电解质设计、电极材料、产品控制以及工业化进展等方面，对这两种技术进行了深入探讨。熔盐电解在较低温度（1073–1223K）下进行，能够生产固体或粉末状铁；而熔融氧化物电解则利用高温熔融氧化物（>1823K）直接生成液态铁，便于将其整合到传统的钢铁生产流程中。文章重点分析了这些技术中的关键科学和技术难题，包括惰性阳极的开发、界面动力学、电解质导电性以及可扩展性等问题。本文首次在统一的高温电冶金框架下系统比较了熔盐电解和熔融氧化物电解的共性和差异，并提出了实现工业化的路线图，以支持向由可再生能源驱动的可持续钢铁产业的转型。

引言

截至2023年，全球平均气温比工业化前上升了1.8K。《巴黎协定》设定了明确的气温控制目标：将全球平均气温升幅限制在2K以下，并努力将其控制在1.5K以内[1,2]。为实现这些目标，必须在2030年前将人为产生的温室气体（GHG）排放量减少40%–50%，并在2060年前减少90%[2]。因此，推动所有行业的低碳转型已成为当务之急。由于钢铁行业严重依赖碳基还原剂和燃料，其全球温室气体排放量约占6.3%，在重工业中位列首位[[3], [4], [5]]。据统计，2024年全球粗钢产量达到18.87亿吨，相应产生的二氧化碳排放量约为36亿吨[6,7]。预计到2050年，全球钢铁需求将增加到21–25亿吨，但相关的碳排放强度（每吨热轧钢的二氧化碳排放量）必须减少90%以上[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。图1展示了与净零目标相符的钢铁排放阈值[8]。这意味着每吨钢铁的碳排放强度必须大幅降低。因此，推动钢铁生产过程的完全脱碳已成为一项严峻而紧迫的全球任务。

仅依靠对现有高炉-基本氧炉工艺的渐进式改进和提高电弧炉中的废钢比例远远不够。实现钢铁行业的碳中和需要铁生产技术的根本性创新。基于绿色氢气的直接还原炼铁工艺和以绿色电力为驱动的电化学炼铁工艺被视为两条主流的低碳炼铁路径[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。尽管绿色氢气本身来源于绿色电力，但水电解制氢过程涉及显著的能量转换（能量转换效率是指在特定转换步骤中将电能转化为另一种能量载体（例如氢气中的化学能）时的损失，这限制了整个链条的整体能源效率。相比之下，直接利用绿色电力通过电化学方法将铁矿石还原为金属铁，绕过了中间能量转换步骤，具有更高的理论能源效率潜力，因此受到了学术界和工业界的广泛关注。如果这种技术能与风能和太阳能等可再生能源结合使用，就有望从根本上消除对化石燃料的依赖，实现近乎零碳排放的钢铁生产。

在各种以绿色电力为驱动的电化学炼铁技术中，高温电解炼铁（通常指操作温度超过973K）已成为一个关键且不可或缺的研究方向，其优势在于反应动力学、原料多样性以及可控的产品形态[29]。其核心工艺主要分为两类：熔盐电解（MSE）和熔融氧化物电解（MOE）。与低温水系统不同，高温电解是在高离子导电性的熔融介质中直接进行的。这不仅显著提高了铁氧化物的溶解度和离子迁移率，还使得反应界面处的电荷转移速率极快，为实现极高的电流密度和生产强度奠定了物理化学基础。这项技术在多个关键方面显示出其不可或缺性[24,[29], [30], [31], [32]：首先，在热力学和动力学层面，高温大大促进了反应物的质量传递和界面反应，使得复杂铁矿石（尤其是含硅和氧化铝较高的难以处理的铁矿石）能够直接通过电解还原，避免了复杂的矿物预处理。其次，从技术角度来看，熔融氧化物电解可以直接生成液态金属，便于后续的精炼、合金化和连续铸造，使其更自然地融入传统的钢铁生产工艺流程，且基于现有的冶金工业框架，其规模化路径相对清晰。此外，在可扩展性和效率潜力方面，高温电解为工业单电池容量和能源效率提供了更有希望的上限，更符合钢铁行业大规模、连续运行的特点。

高温电解用于金属提取并非全新的技术。在有色金属生产领域已有大量相关研究，例如大规模工业化的铝电解生产以及早期对熔融氧化物电解的探索（例如FFC剑桥工艺）[[33], [34], [35]]。这些研究为将其应用于钢铁行业提供了宝贵的经验和技术支持。熔盐电解和熔融氧化物电解这两种高温工艺在某些技术上有共同点，但也各具特点。系统比较它们在还原机制、技术挑战和关键材料选择上的差异，对于根据不同的资源条件和产品需求选择合适的技术路径至关重要。

然而，尽管关于高温电解炼铁的综述文献已经积累了不少，但仍存在一些明显的不足[[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [36]]。例如，大多数综述倾向于孤立地讨论这两种技术，缺乏在统一的高温电冶金框架内的比较或相关性分析，因此未能提炼出共享的科学问题（如界面电荷转移和多价铁物种的行为）的共性和差异，也无法为技术选择提供明确的逻辑，以综合考虑资源可用性、产品需求和能源结构的变化。此外，现有综述在机制解释的深度上存在不足，未能系统阐明关键科学问题——例如高温熔体中Fe²⁺/Fe³⁺的配位结构和还原路径，以及电极/电解质界面反应和质量传递的耦合机制（从原子到宏观尺度），并且常常缺乏对现有争议的总结。此外，当前综述对新兴跨学科方向的覆盖也有所滞后。最近的一些进展，如高温原位表征技术的发展和灵活运行动态控制策略的研究，尚未被系统地纳入综述讨论中。

因此，解决这些空白，对这两种主要高温工艺进行系统比较和批判性评估至关重要。这不仅有助于阐明它们在反应机制、电解质设计、电极材料和产品控制方面的最新进展和核心挑战，还能为不同资源条件和产品需求确定合适的工业化方案。本文旨在通过整理该领域的主要突破和剩余挑战，为构建高效、灵活和可持续的未来钢铁生产范式提供重要的科学和工程见解。这一努力对于支持全球气候目标和促进产业转型具有重要意义。

章节片段

氯化物熔盐中的反应机制

熔盐电解炼铁技术利用熔盐作为电解质和反应介质，在高温（通常超过973K）下通过电化学方法直接将铁氧化物还原为金属铁。这项研究深受“FFC剑桥工艺”的启发，该开创性工作首次证明了固体金属氧化物可以通过电化学方法在熔融状态下直接还原为金属

熔盐电解与熔融氧化物电解的比较

基于上述讨论，可以得出结论：熔盐电解和熔融氧化物电解是两种互补且共同发展的钢铁生产高温电解工艺。它们面临一些共同的挑战，如提高高温电化学界面反应的动力学、优化多价离子的复杂还原路径、调节熔体结构和质量传递，以及开发惰性阳极材料，从而显示出一定的内在一致性

有待深入的基础研究

在理论层面，复杂熔盐/熔渣电解质中多价铁物种的微观迁移路径仍不清楚。当前的研究主要基于宏观电化学行为推断反应机制，缺乏原子尺度上界面过程的直接观测证据。对于熔融氧化物电解，电子传导和离子传导之间的定量解耦方法及调控机制尚不完善，尤其是在高FeO_x熔体中

结论与展望

熔盐电解和熔融氧化物电解作为两种核心的高温电化学炼铁技术，代表了基于金属氧化物直接电化学分解的近乎零碳钢铁生产的根本转变。本文表明：

尽管熔盐电解和熔融氧化物电解都遵循电化学还原的科学原理和能斯特方程，但它们已经发展成了两种互补的技术范式：“中高温”

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号[22278413, 52404353]和中央高校基本科研业务费（编号FRF-BD-25-003）的支持。