近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員路芳團隊、研究員蔡睿團隊、中國工程院院士劉中民團隊等，聯合中國建筑材料科學研究總院、東北大學等合作單位，在水泥行業低碳化生產方面取得新進展。研究團隊利用水泥生料中的鐵組分構建催化體系，模擬鋼鐵固廢的組成，制備出鐵基催化劑，實現了碳酸鈣與甲烷共熱定向轉化為氧化鈣與合成氣，該催化劑無需分離即可直接用于水泥熟料生產，為水泥行業綠色低碳轉型提供了新路徑。相關成果發表在《國家科學評論》。
水泥行業的碳排放約占全球工業碳排放的7.5%，其中碳酸鹽分解過程占水泥生產碳排放的60%。由于碳酸鹽分解過程受熱力學與動力學雙重約束，始終無法突破高溫強制分解的技術瓶頸。當前，水泥行業減碳的主要策略包括提升設備能效、使用生物質與氫能等低碳替代燃料，但這些方法均未改變碳酸鈣分解這一核心化學過程，難以從根本上解決水泥領域的高碳排放問題。
本工作中，科研人員選用鐵、鋁、鋅等金屬元素模擬鋼鐵固廢組成制備催化劑，在甲烷氣氛中促使碳酸鈣與CH?發生共熱轉化反應，反應后催化劑無需分離，可直接用于水泥熟料生產，同時副產高附加值合成氣。實驗結果表明，相比傳統碳酸鹽分解過程，該過程可降低約80%的碳排放量，為水泥行業深度脫碳提供新路徑。
機理研究表明，該催化過程主要通過兩條路徑實現：直接反應路徑為吸附的甲烷與Ca-Fe界面處的碳氧鍵相互作用，轉化為合成氣；分解-吸附路徑為碳酸鈣首先分解形成氧化碳和二氧化碳，再與活化的甲烷反應生成合成氣。實驗證明，直接反應路徑占主導地位。進一步，研究團隊以鐵的氧化物為活性位點，通過引入鋁和鋅，提高了催化劑的比表面積和催化活性位點的分散度，優化鐵位點周圍的微環境，提高催化劑的活性。
生命周期評估顯示，該技術具有良好的環境效益和碳減排潛力。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf109