製鉄プロセスの革新:鉄生成のナノスケール観察に成功(Steel Making Could Get a Makeover)

2025-09-29 ミネソタ大学

ミネソタ大学の研究チームは、鉄鋼製造における画期的な新手法を実証しました。従来の高炉法は大量の二酸化炭素を排出しますが、本研究では酸化鉄をナノスケールで観察しながら、より低温・低エネルギーで還元し鉄を生成するプロセスを開発。電子顕微鏡によるリアルタイム観察で、鉄の生成過程を初めて直接確認しました。この方法は水素を利用する「グリーンスチール」技術とも組み合わせ可能で、従来製鉄法に比べ環境負荷を大幅に削減できる可能性があります。今後はプロセスのスケールアップを目指し、鉄鋼産業全体の脱炭素化に寄与すると期待されています。

<関連情報>

ナノスケールオペランドTEMによる非熱プラズマによる鉄酸化物還元のメカニズムの解明 Revealing the mechanisms of non-thermal plasma-enabled iron oxide reduction through nanoscale operando TEM

Jae Hyun Nam,K. Andre Mkhoyan,Daan Hein Alsem & Peter J. Bruggeman
Nature Communications  Published:14 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-62639-4

製鉄プロセスの革新:鉄生成のナノスケール観察に成功(Steel Making Could Get a Makeover)

Abstract

H2 plasma-enabled reduction of iron ore is a promising green alternative for reducing CO2 emissions in the iron and steelmaking industry. In this work, we develop an operando plasma transmission electron microscopy (TEM) technique enabling the direct and real-time observation of magnetite (Fe3O4) nanoparticle reduction by non-thermal H2 plasma with a spatial resolution of ~1 nm. Our operando results show a decrease in particle size accompanied by crack formation on timescales of ~10 s. We reveal that these observations are due to the oxide reduction, which induces a change in crystal structure from magnetite to iron, driven by the hydrogen radical, H. The operando reduction in particle volume by the plasma is well described by a shrinking-core reaction model. Our findings provide critical insights into mechanisms and rate-controlling processes of non-thermal iron ore reduction at the nanoscale. The developed operando plasma TEM technique is expected to find widespread application with the advent of non-thermal plasma technologies and the growing demands for diagnostic techniques to enhance mechanistic understandings in the field of plasma-nanoengineering.

0701鉄鋼生産システム
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