NSR|水泥生產綠色低碳新路徑：鋼鐵固廢變減碳“催化神器”

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水泥作為目前使用最為廣泛的建築材料，卻是全球碳排放的 “大戶”——每生產一噸水泥熟料，就會釋放出近0.8噸二氧化碳——這相當於一輛卡車行駛1000公里的碳排放量。水泥領域的二氧化碳排放佔全球總排放量的7.5%，並且水泥生產的碳排放主要來源於碳酸鈣的分解，這也讓其成為工業領域的碳減排的重點和難點。

近期科研團隊在水泥領域低碳化生產方面取得新進展——讓鋼鐵冶金行業固體廢棄物“變廢為寶”，直接助力水泥生產碳減排。這項由中國科學院大連化學物理研究所路芳、蔡睿研究員團隊和劉中民院士領銜的研究，透過一種創新的催化技術，將水泥生產中由碳酸鹽分解產生的碳排放大幅降低，催化劑與反應產物無需分離，同時還能"變廢為寶"生產出高價值的合成氣。這項技術為水泥領域綠色低碳發展提供新思路、新路徑。

傳統水泥生產的核心步驟是高溫分解石灰石（CaCO₃），這一過程會釋放大量二氧化碳，佔到整個工藝碳排放的60%。研究團隊向反應體系中引入了另一種溫室氣體—甲烷（CH₄），並創新性提出利用水泥生料中的鐵組分構建催化體系，引入基於鋼鐵固廢的鐵基催化劑。實驗顯示，這種催化劑可讓碳酸鈣分解產生的碳排放降低近80%。較為巧妙的是，反應後鐵基催化劑無需與氧化鈣產物分離，作為生產原料可直接用於水泥熟料生產，既節省成本又免去二次汙染風險。

圖1. 鋼鐵固廢催化水泥生產工藝

研究進一步提出合理的催化機制：直接反應路徑為吸附的CH₄與Ca-Fe介面處的碳氧鍵相互作用，轉化為CO和H₂；分解-吸附路徑為CaCO₃首先分解形成CaO和CO₂，再與活化的CH₄反應生成CO和H₂。研究團隊透過實驗證實，CH₄與CaCO₃之間的直接反應為主要路徑。透過一系列表徵表明選用的模擬鋼鐵固廢催化劑以鐵的氧化物為活性位點，鋁和鋅的引入顯著增加了比表面積和催化活性位點的分散性，進一步最佳化鐵位點周圍的微環境。結合生命週期分析（LCA），研究團隊評估了該技術在未來工業場景中的減碳潛力，顯示該項技術具有顯著的環境效益。