【新刊速览】李毅仁等：电化学还原法制备金属铁研究进展
2025-11-026
(1.河钢集团战略研究院, 河北 石家庄 050023; 2.河北省氢冶金低碳技术重点实验室, 河北 石家庄 050000; 3.北京科技大学碳中和研究院, 北京 100083)
CO2排放量的急剧增长导致全球环境恶化。钢铁行业作为CO2排放大户，CO2排放量占全球总排放量的7%，其中70%来自炼铁过程。目前，作为备受关注和开发的技术，电化学还原具备反应过程易控制、能量效率高等优势，为钢铁行业提供了一种潜在的低碳生产路径。综述了电化学还原法制备金属铁的研究进展，并对影响电化学还原反应的参数进行了讨论。依据电解质性质的不同，铁化合物的电化学还原可分为熔盐体系、酸碱溶液体系及离子液体体系，每种体系各有优缺点。熔盐体系因电解质相容性特性强，可直接以铁矿石为原料，这有利于降低成本，但反应温度较高且电解质易腐蚀设备；碱性溶液体系具有电解条件温和、析氢副反应小等优点，但目前仍处于实验室开发阶段；酸性溶液体系中电解制铁已被商业化应用，相较其他体系下的电解技术更具发展前景，但目前存在的主要问题是高浓度氢离子引发的竞争性析氢副反应会导致电流效率下降;离子液体体系具有离子电导率高、热稳定性好等优点，且含铁化合物组成的电解质可以克服水溶液体系的局限性，但高成本的离子液体限制了其规模化应用前景。最后，针对目前存在的问题以及未来的技术发展方向进行了总结与展望。
电化学还原/电冶金/低碳路径/电解铁/熔盐/酸碱溶液/离子液体/工业化前景
CO2排放量的急剧增长导致全球环境恶化，并引发一系列温室效应，如全球气温升高、海平面上升、自然灾害等，严重危机人类生存环境。在此背景下，《巴黎气候协定》要求成员国减少碳排放且实现“碳中和”，中国基于国际责任和可持续发展的内在需求，提出“2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和”的远景目标。钢铁行业作为碳排放大户，其CO2排放量约占全球碳排放总量的7%，其中约70%来自炼铁工艺，因此，钢铁行业在实现低碳化或零碳化方面发挥着重要作用。为此，急需一批低碳炼铁新技术实现炼铁工业的大规模减碳。氢直接还原技术以氢气(绿氢或灰氢)为还原剂代替焦炭，以此减少CO2的产生，目前该工艺已实现了工业化应用，但仍有问题亟待解决，如氢热效率低于碳基还原剂，氢还原过程需要较高的平衡氢浓度，以及需要增加氢气提纯分离装置来提高氢气利用率等，这大大增加了系统的复杂性和生产成本。此外，氢源也是需要考虑的问题，能源利用效率低、催化剂和质子膜价格昂贵、生产成本高等因素也阻碍着电解水制氢的大规模应用。
相较于氢还原技术，电化学还原技术以电能为直接能量，可直接电解铁氧化物获得单质铁，此反应过程易于控制且能量效率高，技术优势明显但距工业化应用仍需较长时间。根据电解质性质的不同，可将含铁化合物的电化学还原分为熔盐体系、碱性溶液体系、酸性溶液体系和离子液体体系，所制备铁的组织结构与性质也因电解体系和试验参数的不同而异，且不同体系均具备各自的优缺点。目前，利用电化学还原技术制备金属铁已得到了广泛研究，并且低碳绿色技术的发展增加了钢铁行业对电化学还原炼铁工艺的需求，并提供了应用场景。因此，综述了近年来不同体系下电化学还原制备金属铁技术的研究进展，分析讨论了影响电还原反应的不同因素。电化学还原法制备金属铁绿色技术的发展，为钢铁行业实现低碳排放提供了一条可行的路径。本文介绍了熔盐、碱性溶液、酸性溶液及离子液体体系下电化学还原制备金属铁的研究进展，分析讨论了电流密度、温度、pH值及杂质等因素对电流效率、电解铁生长机制及其形态的影响。对比分析了不同体系下电解制铁技术的工业化应用挑战，其中酸性溶液体系电解制铁更具发展前景。本文针对不同体系提出相应研发建议和展望。1)熔盐体系目前仍处于研究阶段，虽然能直接以铁矿石为原料，但如何高效、稳定地电解得到高纯度产品仍是目前面临的技术问题。此外，熔盐电解质在高温下具有腐蚀性。未来首先应深入研究熔盐电解反应机制，优化工艺参数，提高电解效率和稳定性；其次为解决熔盐腐蚀性问题，熔盐的热腐蚀和化学腐蚀性质研究是关键，耐高温、低成本的惰性阳极和具备连续化生产且耐腐蚀的设备也是未来着重开发的重点。金属陶瓷阳极具备良好的导电性和耐腐蚀性，未来可作为阳极材料的发展方向，而熔盐电沉积所需的阴极或可采用液体金属电极，反应完成后可通过虹吸直接从液态电极中提取铁，简化熔盐去除步骤。2)碱性溶液体系也处于研发的早期阶段，具备电解条件温和、析氢副反应小等优点，使用氧化铁为原料电解制铁已实现了高且可重复的电流效率，但杂质的存在却对其有损害，与此同时，利用赤泥为铁原料实现高电流效率的可能性也得到了证明，详细的杂质影响机制和相应的解决策略有待进一步研究。3)在酸性溶液体系中，电解铁技术已经实现了商业应用。然而，高浓度的氢离子会促进竞争性的析氢副反应，导致反应电流效率降低，这是目前面临的主要挑战。开发适时调节溶液pH值的技术，提高析氢过电位，是抑制析氢反应的有效策略。4)目前，关于离子液体体系的研究仍然有限。高成本的离子液体限制了其工业化前景，因此，未来低成本的离子液体铁盐体系开发是关键。同时还应关注影响电解反应过程、铁生长形态因素的研究，并积极探索离子液体与其他体系的联合使用，开拓出更为高效、经济的电化学还原制备金属铁的新路径。[1]李毅仁,李鹏阳,魏光升,等. 电化学还原法制备金属铁研究进展[J]. 钢铁,2025, 60 (10): 17-30.
[1]LI Yiren, Ll Pengyang, WEI Guangsheng,et al. Research progress in preparation of iron by electrochemical reduction[J]. Iron and Steel, 2025, 60 (10): 17-30.
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