Les chimistes mettent au point une méthode électrochimique propre de fabrication du fer, une étape clé dans la décarbonation de l’industrie sidérurgique. Leur procédé utilise de la saumure et de l'oxyde de fer, remplaçant un haut fourneau à plus forte teneur en carbone, et est optimisé pour utiliser des matériaux naturels. En trouvant des oxydes de fer peu coûteux, poreux et nettement plus efficaces, l’équipe jette les bases d’une production d’acier à grande échelle et respectueuse de l’environnement. Avec l’aide d’ingénieurs et de fabricants, ils rapprochent cette technologie verte du monde réel.

Des chimistes de l'Université de l'Oregon s'efforcent de trouver un moyen plus propre de produire du fer destiné à la fabrication de l'acier, l'un des plus grands émetteurs de carbone au monde.

L'année dernière, le chimiste de l'Université de l'Oregon, Paul Kempler, et son équipe ont présenté une méthode de fabrication du fer par électrochimie. Le processus repose sur une série de réactions chimiques qui convertissent la saumure et l’oxyde de fer en fer métallique pur.

Dans leur dernière étude, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du processus en déterminant quels types d’oxydes de fer pourraient rendre la réaction plus rentable, une étape importante vers l’extension de la méthode à une utilisation industrielle.

"Nous disposons en fait d'un principe chimique, d'une règle de conception directrice, qui nous apprendra comment identifier les oxydes de fer à faible coût pouvant être utilisés dans ces réacteurs", a déclaré Kempler.

La recherche a été publiée le 9 avril dans ACS Energy Letters.

En 2024, la production mondiale d’acier approchera les 2 milliards de tonnes, utilisées dans tous les domaines, de la construction à l’automobile en passant par les infrastructures. Actuellement, l’étape du processus de production d’acier qui consomme le plus de combustibles fossiles est la conversion du minerai de fer (oxyde de fer présent dans la nature) en fer pur.

Traditionnellement, le fer est fabriqué dans des hauts fourneaux, qui émettent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, mais l'équipe de Kempler développe une méthode différente de fabrication du fer.

La postdoctorante Ana Konovalova présente une cellule électrochimique conçue dans le laboratoire de Paul Kempler. Source de l'image : Université de l'Oregon

Leur procédé utilise de la saumure et de l'oxyde de fer bon marché et facilement disponibles comme matières premières, les convertissant en fer métallique par une série de réactions chimiques. Ces réactions produisent également du chlore, un sous-produit commercialement intéressant.

Lorsque Kempler et son équipe ont commencé à développer leur procédé il y a plusieurs années, ils ont obtenu de petites quantités d'oxyde de fer auprès d'entreprises de fourniture de produits chimiques.

Ces matériaux ont donné de bons résultats lors des tests en laboratoire, mais ils ne reflétaient pas les matériaux riches en fer trouvés dans la nature, qui présentent de plus grandes différences de composition et de structure.

"Alors la prochaine question naturelle est la suivante : que se passerait-il si vous essayiez réellement de traiter quelque chose qui a été extrait directement du sol, sans purification, broyage, etc. supplémentaires ?" a déclaré Ana Konovalova, chercheuse postdoctorale au laboratoire de Kempler qui a codirigé le projet.

Lorsque l’équipe a essayé différents types d’oxydes de fer, il est devenu clair que certains fonctionnaient bien mieux que d’autres. Mais les chercheurs ne savent pas exactement ce qui a causé la différence dans la quantité de fer métallique qu'ils ont produite à partir des différentes matières premières. Quelle est la taille des particules d’oxyde de fer ? Ou la composition du matériau ? Ou la présence ou l’absence d’impuretés spécifiques ?

La forme et la porosité des particules d’oxyde métallique, plutôt que leur taille, sont essentielles à l’efficacité de la fabrication électrochimique du fer. Source de l'image : Adapté de ACS Energy Letters 2025, DOI : 10.1021/acsenergylett.5c00166

Konovalova et Andrew Goldman, étudiant diplômé, ont trouvé des moyens créatifs de tester certaines variables tout en en maintenant d’autres constantes.

Par exemple, ils ont transformé de la poudre d’oxyde de fer en nanoparticules et ont traité thermiquement certaines nanoparticules pour les rendre plus denses et moins poreuses.

"Il s'est solidifié sous la même forme de nanoparticules secondaires, mais aucune particule primaire n'a été observée à l'intérieur. Il s'agissait essentiellement du même matériau, juste à un stade différent", a déclaré Konovalova.

Lors des tests en laboratoire, la différence était spectaculaire : "Avec ces particules poreuses, nous pouvons produire du fer très rapidement dans une petite zone", a déclaré Goldman, "alors que les particules denses ne peuvent pas atteindre la même vitesse, nous sommes donc limités dans la quantité de fer que nous pouvons produire par mètre carré d'électrode."

Il s’agit là d’un élément clé pour faire fonctionner le procédé à l’échelle industrielle, dont le succès dépend souvent de facteurs économiques.

Les grandes usines électrochimiques sont coûteuses à construire et le coût est directement proportionnel à la surface des électrodes. Pour la rendre économiquement viable, l’électrode doit être capable de générer suffisamment de produit rapidement pour récupérer l’investissement initial. La vitesse de réaction plus rapide des particules poreuses signifie que le coût d’investissement initial peut être récupéré plus rapidement, réduisant ainsi le coût final du produit en fer, idéalement suffisamment bas pour rivaliser avec les méthodes traditionnelles.

Le point clé, dit Kempler, n’est pas que ces nanoparticules spécifiques soient essentielles au bon fonctionnement du processus électrochimique. Au lieu de cela, cette étude montre que la surface du matériau de départ est ce qui compte vraiment. Les nanoparticules poreuses ont une plus grande surface, ce qui favorise la réaction et accélère ainsi la réaction. D’autres oxydes de fer à structures poreuses peuvent également être rentables.

"L'objectif est de trouver une ressource abondante, bon marché et ayant un faible impact environnemental", a déclaré Kempler. "Nous ne serions pas satisfaits si nous inventions une méthode plus destructrice que la méthode dominante actuelle de fabrication du fer."

Pour amener leur processus au-delà du laboratoire, le laboratoire de Kempler collabore avec des chercheurs d'autres domaines. Travailler avec les ingénieurs civils de l'OSU les a aidés à mieux comprendre les conditions requises pour que le produit soit utilisé dans des applications réelles. Le partenariat avec une entreprise de fabrication d’électrodes les a aidés à résoudre les défis logistiques et scientifiques liés à l’intensification du processus électrochimique.

Compilé à partir de /ScitechDaily