近日，西安交通大学材料学院、金属材料强度全国重点实验室、CAMP-Nano周徐洋教授与德国马克斯-普朗克可持续材料研究所合作，在氢基绿色冶金与一步法冶金合成方面取得新进展。研究提出并解释了氧化铁-氧化镍共还原过程中的固-固催化机制，发现氧化镍可作为催化前驱体，将氢基还原动力学提升约2倍，并促进铁镍合金在还原过程中同步形成。相关成果以《面向可持续合金合成的固-固催化》（“Solid-solid catalysis for sustainable alloy synthesis”）为题发表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。

钢铁和合金生产是支撑现代工业、能源交通和高端装备制造的重要基础，但传统高温碳基冶金过程能耗高、碳排放强度大。发展以绿色氢气为还原剂的低碳金属制备技术，是推动金属材料制造向绿色化、低碳化转型的重要方向。

与传统“矿石还原-熔融合金化-热机械加工”的多步骤流程相比，氢基固态直接还原有望在较低温度下实现氧化物还原、原位合金化与微观组织调控的一体化。但在中低温条件下，氢基还原仍面临反应动力学慢、界面反应复杂和合金化效率受限等问题。

本研究揭示了氢基冶金中一种此前尚未充分认识的固-固催化机制：可还原金属氧化物在反应过程中原位转化为活性金属相，并通过动态金属-氧化物界面持续促进氢溢流、元素分配和快速合金化。该机制为降低氢基直接还原温度、缩短处理时间、减少能耗并实现一步法合金制备提供了新的理论依据。

从应用角度看，该策略有望为含镍钢、不锈钢、低膨胀合金、高强钢和低温工程材料等合金体系的绿色制造提供新思路。通过将氧化物还原与合金化过程耦合，相关方法有助于减少传统冶金流程中对高温熔炼和后续长时间均匀化处理的依赖。

研究以氧化铁-氧化镍混合氧化物为模型体系，提出利用可还原金属氧化物作为催化前驱体来加速氢基还原的新策略。实验结果表明，在700°C条件下，引入氧化镍后，氧化铁还原达到饱和状态的时间缩短约一半，整体还原动力学较未催化体系提升约2倍；在模拟工业连续升温直接还原的条件下，镍或氧化镍的加入还可使氧化铁还原起始温度降低至少约100°C。

图1 氧化镍作为催化前驱体使氢基还原动力学提升约2倍

机理上，氧化镍在氢气作用下优先还原，原位生成纳米多孔金属镍。多孔镍与邻近铁氧化物形成动态金属-氧化物界面，促进氢分子解离，并通过氢溢流效应将活性氢传递到铁氧化物表面，从而加快氧的去除和铁氧化物还原。与直接添加金属镍相比，氧化镍在还原过程中原位形成的细小多孔镍具有更大的界面接触面积和更高催化活性，因此表现出更显著的动力学促进作用。

图2  氧化镍原位还原形成多孔镍并建立催化前沿，促进氢分子解离与氢溢流，

使铁氧化物还原与铁镍合金形成耦合完成

研究利用原位同步辐射X射线衍射、扫描透射电子显微镜、四维扫描透射电子显微技术、原子探针层析和理论计算等手段，证明铁镍合金并非在铁完全还原后再通过传统固态扩散缓慢形成，而是在氧化物还原过程中同步形成。镍富集相与氧化亚铁类中间相界面处的元素分配和界面重构促进铁原子进入面心立方镍晶格，直接生成铁镍合金相，绕开了传统路径中体心立方铁相成核及后续长程扩散的限制。

图3 金属-氧化物反应界面的关联表征。高角环形暗场扫描透射电子显微、四维扫描透射电子显微取向分析、原子探针三维重构与局部成分分析共同揭示面心立方铁镍合金/氧化亚铁类中间相界面处的结构-成分耦合演化

关联表征显示，在金属-氧化物反应界面处存在铁、镍、氧的纳米尺度分布梯度与镍瞬态富集现象。这些结果说明，动态界面不仅提供氢溢流位点，还通过氧化还原驱动的元素分配与缺陷辅助扩散，持续促进氧化亚铁类中间相还原和铁镍合金化。

论文第一作者为陈信任博士，周徐洋教授、魏绍楼博士和Dierk Raabe教授为共同通讯作者。该工作得到国家级青年人才等项目支持。

周徐洋，西安交通大学材料学院教授、博士生导师，国家级青年人才、德国洪堡学者，现为单智伟教授团队成员。长期利用先进表征研究晶体缺陷化学结构，近期拓展绿色冶金智能制造、月基材料学等新方向研究。相关成果以第一/通讯作者发表于Nature Synthesis 、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、Advanced Materials、Acta Materialia等期刊。