La recherche cherche à améliorer le processus d'acier « vert »

Aug 06, 2023

L’acier est l’un des matériaux industriels les plus importants, avec plus de 2 milliards de tonnes produites chaque année dans le monde. En raison de sa haute résistance à la traction et de son faible coût, l’acier est utilisé dans tous les domaines, de la construction de bâtiments aux appareils électriques en passant par les navires, les trains, les voitures et les vélos.

Le processus de fabrication de l’acier a toutefois un prix élevé pour l’environnement, puisqu’il représente 7 à 11 % de toutes les émissions de gaz à effet de serre d’origine humaine. Si l’industrie sidérurgique était un pays à part entière, elle se classerait au cinquième rang des producteurs de dioxyde de carbone.

Traditionnellement, les fonderies fabriquent de l'acier en éliminant l'oxygène du minerai de fer grâce à une approche carbothermique qui mélange l'oxyde de fer avec du carbone et une chaleur intense. Face à la pression croissante des gouvernements et des investisseurs pour réduire les émissions, l’industrie sidérurgique expérimente des projets d’acier vert qui utilisent l’hydrogène au lieu d’une production à forte intensité de carbone.

Cependant, le fonctionnement exact de la réduction directe à base d’hydrogène n’est pas entièrement compris. Le professeur Guangwen Zhou de l'Université de Binghamton, membre du corps professoral du département de génie mécanique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science, a récemment reçu une subvention de 470 700 $ de la National Science Foundation pour rechercher le processus au niveau atomique.

"Si vous regardez la réduction des oxydes de fer avec l'hydrogène, cela semble assez simple", a déclaré Zhou. « Vous produisez du fer et de l’eau. En réalité, c’est assez compliqué car la réaction implique plusieurs autres phases solides intermédiaires. Nous devons examiner quelle voie peut être encore améliorée pour obtenir une meilleure efficacité.

En tant que directeur associé de l'Institut de recherche sur les matériaux de Binghamton et directeur adjoint du programme de science et d'ingénierie des matériaux, Zhou étudie les oxydes métalliques depuis plus d'une décennie. En 2011, ses recherches lui ont valu un NSF CAREER Award, qui soutient les professeurs en début de carrière qui ont le potentiel de servir de modèles académiques dans la recherche et l'éducation.

Plus récemment, il s'est associé au Brookhaven National Laboratory et à d'autres collaborateurs pour deux études majeures sur les réactions d'oxydes en temps réel, offrant de nouvelles perspectives sur le fonctionnement du processus et sur la manière de contrôler les réactions.

Pour cette nouvelle subvention de la NSF, Zhou est le chercheur principal, mais lui et ses étudiants utiliseront l'équipement de Brookhaven, notamment la microscopie électronique à transmission environnementale (TEM) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (AP-XPS) pour étudier les voies possibles pour réduire le fer de l'oxyde de fer à des températures supérieures à 1 000 degrés Celsius (1 800 degrés Fahrenheit).

"Nous voulons fournir une compréhension fondamentale de la chronologie de base du processus de réaction et de ses transformations complexes", a-t-il déclaré. "Une fois que nous savons cela, nous pouvons jouer avec des facteurs tels que la quantité d'hydrogène, la pression ou la température pour optimiser le processus."

Alors que la planète traverse l’été le plus chaud jamais enregistré, réduire les émissions de carbone semble plus urgent que jamais.

"Je pense que ce projet arrive au bon moment", a déclaré Zhou. « La communauté des chercheurs et la société s'intéressent beaucoup à la nécessité de réduire les gaz à effet de serre. »