钢铁行业是全球碳排放大户，其碳排放量约占全球碳排放总量的7%-11%。面对愈发严峻的全球气候变化，各国纷纷设立碳达峰与碳中和目标，占全球粗钢产量半壁江山的中国正经历着“双碳”目标的政策重压。

钢铁行业的碳排放主要源于生产过程中的化学过程与巨大的能源消耗。现有主流的长流程炼钢工艺依赖焦炭作为还原剂，在高炉中将铁矿石还原为铁水，这一过程中会产生大量二氧化碳。传统工艺不仅碳排放强度高，还具有工艺流程长、能源消耗大、对优质铁矿石依赖度高等结构性难题，难以在短期内通过局部修补实现根本性降碳。国际能源署的研究表明，要实现《巴黎协定》温控目标，钢铁行业的碳排放必须在2050年前下降90%以上，这意味着一场颠覆性的技术革命势在必行。

传统减碳路线中，氢基直接还原—电弧炉短流程一度被视为治本之策。该工艺以氢气代替焦炭，还原产物为水蒸气，从化学原理上消除了碳排放[2†L14-L17]。然而，氢冶金路线在实际推广中面临制约：经济可靠的绿氢供应体系尚不完善，制氢过程中的能耗与碳排放转移问题、氢气储运的高成本与技术瓶颈，以及氢基竖炉对原料品质的严格要求，都限制了其短期内的工业化推广[14†L4-L10]。

面对“氢能困境”，科学界开始重新审视另一条技术路径——电化学冶金。相较于氢的制备与还原分属两个工序，电解法在能量利用效率上展现出天然优势。美国波士顿金属公司开发的熔融氧化物电解(MOE)技术、澳大利亚Fortescue公司主导的直接电化学还原(DER)项目均验证了这一技术路线的可行性[6†L42-L47]，但阳极材料腐蚀快、电解效率低等技术瓶颈仍是横亘在工业化面前的“拦路虎”。

此次北科大-宝武团队的研究，正是在这一技术僵局中找到了突破口。通过熔渣结构的精妙设计，大幅提升了阳极在高温熔盐环境下的稳定性，使整个电解反应的可持续性与经济性迈上了一个新台阶。

深挖“熔渣结构”的炼金术

这项技术的核心在于“熔渣”不仅是反应的副产物，更成为了控制整个电化学反应的“调控器”。

全新的熔渣结构设计

研究人员在不改变炼钢核心物理化学原理的基础上，对CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeOx四元基础渣系进行结构微调，使熔渣在阳极表面形成一层具有高氧离子电导率的“活性界面层”。通过调控熔渣中Fe³⁺/Fe²⁺的电荷补偿作用，重构熔渣离子网络，使O²⁻在阳极界面的传输速率大幅提高。分子动力学模拟结果显示，优化后的熔渣体系中氧离子的扩散系数提升了3.14倍，电解驱动力显著提升。

该熔渣体系在高达1600°C的极端高温与强腐蚀环境下保持优异的化学稳定性，有效抑制了惰性阳极的表面氧化与腐蚀剥落，将阳极寿命延长至超过500小时，远高于此前国际同类研究报道的水平。

选择性析氧反应与高纯度铁水制备

在超高温电解槽中，该技术直接利用含铁氧化物熔渣作为电解质。当通入直流电后，铁离子在阴极被还原为金属铁，而氧离子在阳极则被氧化为氧气。研究团队通过调控CaO-SiO₂-FeOx熔渣的结构，选择性靶向阳极析氧反应，从而避免了传统熔盐电解工艺中有害阳极气体的产生。反应全程不消耗碳基还原剂，反应产生的副产物只有氧气，实现了从矿石到铁水的“零碳”转化。与氢基直接还原技术相比，该技术无需经历“绿电→绿氢→还原铁”的两步能量转化，能源利用效率可提升40%以上，从热力学上大幅降低了整体的能耗成本。该工艺对原料适应性极强，不仅可处理高品质铁精矿，还可直接冶炼低品位复杂共生铁矿，无需预选、造块等繁杂的预处理工序[6†L30-L34]。

该技术的全体系设计确保了最终铁水产物具有99.9%以上的超高纯度，可完全省去传统流程后续转炉炼钢的深度脱碳环节，从热力学顶层设计上实现了钢铁生产全流程的流程再造与大幅缩短。

从“低碳”到“零碳”的全流程工业路径重塑

这项“熔融电化学还原炼铁”技术的成功验证，表明短流程、零排放的清洁炼钢已具备大规模工业化的理论基础与核心技术雏形。该技术与全球绿色能源革命天然契合，随着太阳能、风能等可再生能源发电成本的持续下降，直接利用绿电进行炼钢的经济性拐点或将比预期更快到来。

从全产业链的角度来看，这项技术不仅解决了钢铁企业高额的碳税和环保成本问题，更可能催生全新的“绿钢”国际贸易体系与碳足迹认证标准。

北京科技大学实现零碳炼钢里程碑式突破

北京科技大学绿色低碳钢铁冶金全国重点实验室、燕山大学及宝武钢铁集团的此次合作，标志着中国在“绿电+电解冶金”这一前沿零碳炼钢领域走在了世界前列。这项研究不仅攻克了惰性阳极材料在超高温熔盐环境下的稳定性难题，还系统性地提出了通过熔渣结构设计来提升电解效率与铁水纯度的完整科学方案，有望成为未来全球绿色智慧冶金工厂的核心工艺包。随着成套技术与关键装备的规模化应用，钢铁工业将彻底告别“高碳锁入”的历史，为全球应对气候变化贡献一份举足轻重且行之有效的“中国方案”。