氨，高效的氢载体和绿色钢铁推动者

当谈到可持续发展和绿色钢铁时，每个人都在谈论氢。但目前储存和运输氢的方法要求高压和低温，这在能源和经济上都很昂贵。

氨是一种很好的氢载体。Yan Ma及其同事的研究表明，氨不仅可以用来携带氢，还可以直接还原铁，这使得氨成为克服氢气缺点的可行候选物质。

钢铁生产是目前全球变暖的最大单一原因，占全球二氧化碳排放量的7%。为了减少这些排放，科学家和工业界正在深入研究以氢为基础的炼铁方法，作为替代碳还原剂的可持续途径。

虽然以氢为基础的铁矿石直接还原技术前景广阔，但研究人员面临着一个重大挑战：为了使整个炼钢过程对气候友好，所使用的能源和氢本身应该以可持续的方式生产。但市场上缺乏足够的绿色氢。而且，目前储存和运输氢的手段要求高压和低温，这十分昂贵。

马克斯-普朗克研究所-Max-Planck-Institut für Eisenforschung(MPIE)的研究人员通过使用氨作为氢载体和铁的还原剂来解决这一挑战。他们比较了氨基直接还原法和氢基直接还原法生产的钢铁，分析了新工艺的特点和成本，并在《先进科学》杂志上发表了他们的研究结果。

氨作为直接还原剂有几个优点

全世界对氢的需求越来越大，但氢的储存和运输非常棘手：由于其体积能量密度低，它必须在非常低的温度或高压下储存。这意味着需要消耗氢气所提供的化学能量的30%。相比之下，氨已经在全球范围内进行交易，具有成熟的物流体系，并且被认为是一种低液化成本的优秀氢载体。

MPIE小组负责人、该出版物的第一作者Yan Ma博士说：

“我们的目的是研究氨是否可以直接用于还原铁矿石，而不需要将其裂解为氢和氮。避免这个裂解过程可以降低18%的总成本。此外，还分析了氨作为还原剂对还原铁性能的影响。

科学家们在一个实验室规模的反应器中引入了氨，在那里铁矿石被还原为所谓的海绵铁。在此过程中，热重法结合质谱法测量了重量和气体组成，显示了还原程度和氨分解的开始。

“氨基直接还原是通过自催化反应进行的。我们比较了它与氢基直接还原反应的动力学。两者具有相似的特性和相同的金属化程度。与氢基还原相比，氮化物在氨中冷却时形成，这可以保护海绵铁免受腐蚀，使其更容易处理。”Ma解释道。

氮化相可以在随后的熔化过程中完全溶解和去除，无论如何，这是下游工序所要求的。氨分解的另一产物氮可作为热载体在竖炉中维持反应温度，提高铁矿石还原效率。

展望：绿色氨的合成和铁还原工艺的优化

以氨为基础的直接减排连接了两个二氧化碳最密集的行业——钢铁和氨生产，并为共同实现可持续转型铺平了道路。此外，通过使用氨，克服了氢在后勤和能源方面的缺点，并且只需要稍加修改就可以使用现有的炉技术，即轴炉和电弧炉。

下一步，马克斯·普朗克团队将测试不同的工艺参数，如温度或气体混合物，以加速氨基还原过程，实现广泛的工业应用。