A produção de aço e ligas metálicas contribui com cerca de 8% das emissões globais de dióxido de carbono. Face à urgência dos objetivos de "carbono duplo", a substituição do carvão por hidrogénio verde para reduzir óxidos metálicos tem sido o caminho ideal perseguido na área da metalurgia. No entanto, a baixa velocidade de reação e a baixa eficiência do hidrogénio a temperaturas médias e baixas têm restringido a aplicação industrial desta tecnologia.
Recentemente, uma equipa de colaboração entre a Universidade Xi'an Jiaotong e o Instituto Max-Planck de Pesquisa de Materiais Sustentáveis, na Alemanha, publicou um estudo inovador na revista Nature Synthesis. Pela primeira vez, revelaram um novo mecanismo de "catálise sólido-sólido", que, ao introduzir óxido de níquel como precursor catalítico no minério de ferro, conseguiu duplicar a cinética de redução à base de hidrogénio. Esta descoberta abre um caminho viável para a transição de baixo carbono na produção de aço e ligas, equilibrando eficiência e custos.
A metalurgia do hidrogénio é "verde", mas "lenta"
A produção tradicional de ferro em altos-fornos depende de coque, um processo não só de elevado consumo energético, mas também acompanhado de grandes emissões de dióxido de carbono. A tecnologia de redução direta à base de hidrogénio utiliza hidrogénio verde como agente redutor, teoricamente permitindo emissões de carbono quase nulas e com potencial para simplificar o processo tradicional de múltiplas etapas — "redução do minério, fusão e liga" — numa redução direta em estado sólido numa única etapa.
No entanto, existe um fosso entre o ideal e a realidade, denominado "cinética de reação". A temperaturas médias e baixas, a velocidade de redução dos óxidos de ferro pelo hidrogénio é muito lenta, afetando diretamente a eficiência da produção e a viabilidade económica. Como aumentar significativamente a taxa de redução, mantendo as vantagens de baixo carbono, é um desafio crucial que a comunidade metalúrgica global precisa urgentemente de superar.
De "espera passiva" a "catálise ativa"
A equipa do Professor Zhou Xuyang, da Faculdade de Materiais da Universidade Xi'an Jiaotong, em colaboração com o Instituto Max Planck, na Alemanha, propôs uma estratégia disruptiva de "catálise sólido-sólido".
Geração "in situ" do catalisador: A equipa de investigação misturou óxido de níquel (NiO) em óxido de ferro (Fe₂O₃). Sob atmosfera de hidrogénio, o óxido de níquel é reduzido preferencialmente, gerando in situ níquel metálico nanoporoso. Este níquel poroso gerado in situ possui uma área superficial específica maior e uma atividade catalítica superior em comparação com o pó de níquel metálico adicionado diretamente.
Efeito de "hidrogénio spillover" acelera a redução: O níquel poroso gerado in situ forma uma interface dinâmica metal-óxido com os óxidos de ferro adjacentes. Esta interface funciona como uma "fábrica catalítica" eficiente, promovendo a dissociação das moléculas de hidrogénio (H₂) e, através do efeito de "hidrogénio spillover", transporta eficazmente os átomos de hidrogénio ativos dissociados para a superfície do óxido de ferro, acelerando enormemente a remoção do oxigénio e o processo de redução do ferro.
Formação "síncrona" da liga: Mais surpreendente ainda, este mecanismo não só acelera a redução, como também contorna a via tradicional de formação de ligas. O estudo descobriu que a liga de ferro-níquel não se forma lentamente após a redução completa do ferro, mas sim de forma síncrona durante o processo de redução. A interface dinâmica promove a entrada direta dos átomos de ferro na rede cristalina do níquel cúbico de faces centradas (fcc), contornando o longo processo de nucleação da fase tradicional de ferro cúbico de corpo centrado (bcc).
Os dados falam por si: resultados significativos
O estudo confirmou este mecanismo à escala atómica através de técnicas avançadas como a difração de raios-X por radiação síncrotron in situ e a microscopia eletrónica de transmissão de varrimento 4D. Os dados experimentais demonstram o seu forte potencial de aplicação industrial:
Cinética duplicada: A 700°C, a introdução de óxido de níquel reduziu o tempo de redução do óxido de ferro para cerca de metade, duplicando a cinética global de redução.
Temperatura de redução reduzida em 100°C: Em condições simuladas de aquecimento contínuo industrial, a adição de níquel ou óxido de níquel reduziu a temperatura inicial de redução do óxido de ferro em pelo menos cerca de 100°C.
Abrindo novos caminhos para o aço verde e ligas de alto desempenho
Esta investigação oferece uma nova perspetiva para a metalurgia à base de hidrogénio: através do efeito de catálise sólido-sólido, a produção de ligas à base de hidrogénio pode não só ser mais sustentável do que os processos tradicionais, mas também obter vantagens cinéticas e comerciais.
Em termos de perspetivas de aplicação, esta estratégia promete fornecer novas ideias para a produção ecológica de uma série de sistemas de ligas críticas, como aços ao níquel, aços inoxidáveis, ligas de baixa expansão, aços de alta resistência e materiais para engenharia a baixas temperaturas. Ao acoplar o processo de redução de óxidos com o de liga, este método pode reduzir a dependência dos processos metalúrgicos tradicionais da fusão a alta temperatura e do tratamento de homogeneização prolongado.
Este resultado, fruto da colaboração entre a Universidade Xi'an Jiaotong e o Instituto Max Planck, na Alemanha, superou o gargalo cinético da metalurgia do hidrogénio a temperaturas médias e baixas, demonstrando o enorme potencial da colaboração interdisciplinar e internacional para impulsionar a transformação da ciência fundamental em aplicações industriais.