전기를 이용한 더 깨끗한 철 추출을 향한 ​​한 걸음

철과 강철, 주철과 같은 합금은 현대 사회를 지배하고 있으며, 철을 원료로 한 제품에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 전통적으로 고로(龍爐)는 철광석을 정제된 원소 금속으로 변환하지만, 이 과정에는 많은 에너지가 필요하고 대기 오염 물질이 배출됩니다. ACS 에너지 레터스(ACS ​​Energy Letters) 에 실린 연구진은 전기화학을 이용하여 합성 철광석에서 철을 추출하는 더 깨끗한 방법을 개발했다고 보고했습니다. 이 방법은 고로와 비용 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대됩니다.

"저온에서 철 금속으로 전환될 수 있는 산화물을 식별하는 것은 제강을 위한 완전 전기화 공정을 개발하는 데 중요한 단계입니다."라고 이 연구의 책임저자인 폴 켐플러는 말했습니다.

전기화학적 제철은 철을 함유한 공급 원료가 담긴 액체에 전기를 통과시켜 금속을 분리합니다. 고온 고로와 비교했을 때, 이 전기화학적 공정은 온실가스, 이산화황, 미세먼지와 같은 대기 오염 물질 배출을 크게 줄일 수 있으며, 상당한 에너지 절감 효과를 기대할 수 있습니다. 이전에 켐플러와 동료들은 이 공정을 사용하여 화씨 176도에서 194도(섭씨 80도에서 90도) 정도의 온도에서 고체 산화철(III) 입자와 수산화나트륨이 포함된 용액을 원소 철로 직접 전환했습니다.

그러나 크기가 불규칙하고 조밀한 입자와 불순물이 포함된 일부 천연 철광석을 시험했을 때, 이 저온 공정은 선택성이 충분하지 않았습니다. 따라서 켐플러와 아나스타시아 코노발로바, 앤드류 골드먼이 이끄는 새로운 연구팀은 어떤 철광석 유사 공급 원료가 공정의 확장 가능한 성장을 지원할 수 있는지 파악하고자 했습니다.

먼저, 연구진은 나노 크기의 입자 형태가 전기화학 반응에 미치는 영향을 조사하기 위해 내부에 구멍과 연결 공동을 가진 고표면적 산화철 입자를 제조했습니다. 그런 다음, 이 입자 중 일부를 천연 광석의 형태를 모방하기 위해 마이크로미터 너비의 산화철 입자로 전환했습니다. 이 입자들은 탄소와 바륨과 같은 극소량의 불순물만 함유하고 있었습니다.

연구팀은 산화철 입자가 포함된 수산화나트륨 용액에 전류가 흐르면서 철 금속을 추출하는 특수 음극을 설계했습니다. 실험 결과, 고밀도 산화철은 50밀리암페어/제곱센티미터의 전류 밀도에서 가장 선택적으로 환원되거나 원소 철로 전환되었는데, 이는 리튬 이온 배터리의 급속 충전과 유사했습니다.

반대로, 다공성이 더 높고 표면적이 더 넓은 입자는 다공성이 낮은 천연 철광석인 적철석을 모방한 입자보다 전기화학적 철 생산 효율이 더 높았습니다.

연구진은 전기화학적 제철법의 잠재적 비용을 평가했습니다. 실험에 사용된 전류 밀도에서 철은 미터톤당 600달러(킬로그램당 0.60달러) 미만으로 생산될 수 있다고 추정했는데, 이는 전통적인 제철법과 비슷한 수준입니다.

이 연구는 나노스케일 기공률을 가진 입자를 사용할 경우 산업용 전기분해 셀에서 사용되는 것과 유사한 최대 600밀리암페어/제곱센티미터의 훨씬 더 높은 전류 밀도를 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 이 기술이 상업적으로 도입되기 위해서는 전기화학적 셀 설계와 산화철 공급 원료의 기공률을 높이는 기술의 발전이 더욱 필요할 것입니다.

저자는 미국 에너지부 과학국, 기초 에너지 과학국으로부터의 자금 지원에 감사드립니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409114953.htm