近日，我所生物能源研究部生物质氢键选控与活化研究组（DNL0605组）路芳研究员团队、低碳战略研究中心（DNL26）蔡睿研究员团队、低碳催化与工程研究部（DNL12）刘中民院士团队等，联合中国建筑材料科学研究总院、东北大学等合作单位，在水泥行业低碳化生产方面取得新进展。研究团队利用水泥生料中的铁组分构建催化体系，模拟钢铁固废的组成，制备出铁基催化剂，实现了碳酸钙（CaCO3）与甲烷（CH4）共热定向转化为氧化钙（CaO）与合成气（CO和H2），该催化剂无需分离即可直接用于水泥熟料生产，为水泥行业绿色低碳转型提供了新路径。
水泥行业的碳排放约占全球工业碳排放的7.5%，其中碳酸盐分解过程占水泥生产碳排放的60%。由于碳酸盐分解过程受热力学与动力学双重约束，始终无法突破高温强制分解的技术瓶颈。当前，水泥行业减碳的主要策略包括提升设备能效、使用生物质与氢能等低碳替代燃料，但这些方法均未改变碳酸钙分解这一核心化学过程，难以从根本上解决水泥领域的高碳排放问题。
本工作中，科研人员选用铁、铝、锌等金属元素模拟钢铁固废组成制备催化剂，在甲烷气氛中促使CaCO₃与CH₄发生共热转化反应，反应后催化剂无需分离，可直接用于水泥熟料生产，同时副产高附加值合成气。实验结果表明，相比传统碳酸盐分解过程，该过程可降低约80%的碳排放量，为水泥行业深度脱碳提供新路径。
机理研究表明，该催化过程主要通过两条路径实现：直接反应路径为吸附的CH4与Ca-Fe界面处的碳氧键相互作用，转化为CO和H2；分解-吸附路径为CaCO3首先分解形成CaO和CO2，再与活化的CH4反应生成CO和H2。实验证明，直接反应路径占主导地位。进一步，研究团队以铁的氧化物为活性位点，通过引入铝和锌，提高了催化剂的比表面积和催化活性位点的分散度，优化铁位点周围的微环境，提高催化剂的活性。生命周期评估（LCA）显示，该技术具有良好的环境效益和碳减排潜力。
相关成果以“Carbon emission reduction in cement production catalyzed by steel solid waste”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。该工作的共同第一作者是我所DNL0605组刘正刚工程师和卢锐副研究员。该工作得到国家自然科学基金、辽宁滨海实验室等项目的支持。（文/图 刘正刚、卢锐、路芳）
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf109
