水泥作為目前使用最為廣泛的建筑材料，卻是全球碳排放的 “大戶(hù)”——每生產(chǎn)一噸水泥熟料，就會(huì)釋放出近0.8噸二氧化碳——這相當(dāng)于一輛卡車(chē)行駛1000公里的碳排放量。水泥領(lǐng)域的二氧化碳排放占全球總排放量的7.5%，并且水泥生產(chǎn)的碳排放主要來(lái)源于碳酸鈣的分解，這也讓其成為工業(yè)領(lǐng)域的碳減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近期，科研團(tuán)隊(duì)在水泥領(lǐng)域低碳化生產(chǎn)方面取得新進(jìn)展——讓鋼鐵冶金行業(yè)固體廢棄物“變廢為寶”，直接助力水泥生產(chǎn)碳減排。這項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所路芳、蔡睿研究員團(tuán)隊(duì)和劉中民院士領(lǐng)銜的研究，通過(guò)一種創(chuàng)新的催化技術(shù)，將水泥生產(chǎn)中由碳酸鹽分解產(chǎn)生的碳排放大幅降低，催化劑與反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)需分離，同時(shí)還能"變廢為寶"生產(chǎn)出高價(jià)值的合成氣。這項(xiàng)技術(shù)為水泥領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展提供新思路、新路徑。

傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)的核心步驟是高溫分解石灰石（CaCO?），這一過(guò)程會(huì)釋放大量二氧化碳，占到整個(gè)工藝碳排放的60%。研究團(tuán)隊(duì)向反應(yīng)體系中引入了另一種溫室氣體—甲烷（CH?），并創(chuàng)新性提出利用水泥生料中的鐵組分構(gòu)建催化體系，引入基于鋼鐵固廢的鐵基催化劑。實(shí)驗(yàn)顯示，這種催化劑可讓碳酸鈣分解產(chǎn)生的碳排放降低近80%。較為巧妙的是，反應(yīng)后鐵基催化劑無(wú)需與氧化鈣產(chǎn)物分離，作為生產(chǎn)原料可直接用于水泥熟料生產(chǎn)，既節(jié)省成本又免去二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖1. 鋼鐵固廢催化水泥生產(chǎn)工藝

研究進(jìn)一步提出合理的催化機(jī)制：直接反應(yīng)路徑為吸附的CH?與Ca-Fe界面處的碳氧鍵相互作用，轉(zhuǎn)化為CO和H?；分解-吸附路徑為CaCO?首先分解形成CaO和CO?，再與活化的CH?反應(yīng)生成CO和H?。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CH?與CaCO?之間的直接反應(yīng)為主要路徑。通過(guò)一系列表征表明選用的模擬鋼鐵固廢催化劑以鐵的氧化物為活性位點(diǎn)，鋁和鋅的引入顯著增加了比表面積和催化活性位點(diǎn)的分散性，進(jìn)一步優(yōu)化鐵位點(diǎn)周?chē)奈h(huán)境。結(jié)合生命周期分析（LCA），研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了該技術(shù)在未來(lái)工業(yè)場(chǎng)景中的減碳潛力，顯示該項(xiàng)技術(shù)具有顯著的環(huán)境效益。

圖2. (a) Fe?O?、ZnO、Al?O?和Fe-Al-Zn催化劑催化性能比較。（b）Fe-Al-Zn 催化CaCO?和CH?的共熱轉(zhuǎn)化。（c）Fe-Al-Zn 催化CH?和CO?干重整反應(yīng)對(duì)比。（d）CH?和CaCO?在鐵基催化劑作用下的反應(yīng)路徑

這項(xiàng)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。