鉄鉱石の水素還元メカニズムにX線顕微鏡で迫る

Question

現在の鉄鋼製造プロセスでは、酸化鉄（Fe₂O₃など）が主成分である鉄鉱石を石炭（コークス）から発生する一酸化炭素（CO）と反応させて、酸素を奪い（還元して）鉄にする反応が広く使われています。しかし、多量の二酸化炭素（CO₂）を排出するため、省CO₂な代替プロセスの研究が盛んに行われています。水素による還元鉄製造はその候補の一つであり、製造条件の設計には鉄鉱石の水素還元反応に関する情報が必要です。しかし、その反応によって生じる鉄鉱石内部の変化は極めてミクロ(数10nmオーダー)であり、その詳細を高精度に観察できる手法が限られていました。

Findings

最近、技術が進歩した放射光X線顕微鏡を用いて、水素還元途中における鉄鉱石粒子の鉄の化学状態（価数）を三次元で可視化することに成功しました。その結果、還元初期において、還元温度973Kでは水素ガス濃度勾配に沿った反応（topochemical）であるのに対して、1173Kでは結晶整合性を優先した反応（topotaxial）と、ナノスケールで反応モードが大きく変わることが解明されました。熱力学的考察を合わせて、鉄鉱石の水素還元反応に関する新知見を得ました。

Meaning

今回得られた知見にもとづいて反応モードを考慮することにより還元プロセスの最適化が期待され、CO₂排出の少ない新しい製鉄法開発の足掛かりを得ることができました。