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【导语】水泥作为建筑行业的基石，其生产过程却是全球碳排放的重要来源。每生产一吨水泥熟料，就会释放近0.8吨二氧化碳，占全球总排放量的7.5%。然而，近期科研团队在水泥领域低碳化生产方面取得了突破性进展。中国科学院大连化学物理研究所的研究团队，通过创新催化技术，成功利用钢铁冶金行业的固体废弃物，大幅降低水泥生产中的碳排放，并生产出高价值的合成气。这一技术不仅为水泥行业的绿色低碳发展提供了新思路，还展示了显著的减碳潜力，有望在未来工业场景中发挥重要作用。

水泥作为目前使用最为广泛的建筑材料，却是全球碳排放的 “大户”——每生产一吨水泥熟料，就会释放出近0.8吨二氧化碳——这相当于一辆卡车行驶1000公里的碳排放量。水泥领域的二氧化碳排放占全球总排放量的7.5%，并且水泥生产的碳排放主要来源于碳酸钙的分解，这也让其成为工业领域的碳减排的重点和难点。

近期，科研团队在水泥领域低碳化生产方面取得新进展——让钢铁冶金行业固体废弃物“变废为宝”，直接助力水泥生产碳减排。这项由中国科学院大连化学物理研究所路芳、蔡睿研究员团队和刘中民院士领衔的研究，通过一种创新的催化技术，将水泥生产中由碳酸盐分解产生的碳排放大幅降低，催化剂与反应产物无需分离，同时还能"变废为宝"生产出高价值的合成气。这项技术为水泥领域绿色低碳发展提供新思路、新路径。

传统水泥生产的核心步骤是高温分解石灰石（CaCO₃），这一过程会释放大量二氧化碳，占到整个工艺碳排放的60%。研究团队向反应体系中引入了另一种温室气体—甲烷（CH₄），并创新性提出利用水泥生料中的铁组分构建催化体系，引入基于钢铁固废的铁基催化剂。实验显示，这种催化剂可让碳酸钙分解产生的碳排放降低近80%。较为巧妙的是，反应后铁基催化剂无需与氧化钙产物分离，作为生产原料可直接用于水泥熟料生产，既节省成本又免去二次污染风险。

图1. 钢铁固废催化水泥生产工艺

研究进一步提出合理的催(cuī)化(huà)机(jī)制(zhì)：直(zhí)接(jiē)反(fǎn)应(yīng)路径为(wèi)吸(xī)附(fù)的(de)CH₄与(yǔ)Ca-Fe界(jiè)面(miàn)处(chù)的(de)碳(tàn)氧(yǎng)键相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)CO和(hé)H₂；分(fēn)解(jiě)-吸(xī)附(fù)路径为(wèi)CaCO₃首(shǒu)先(xiān)分(fēn)解(jiě)形(xíng)成(chéng)CaO和(hé)CO₂，再(zài)与(yǔ)活(huó)化(huà)的(de)CH₄反(fǎn)应(yīng)生(shēng)成(chéng)CO和(hé)H₂。研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)实(shí)验(yàn)证(zhèng)实(shí)，CH₄与(yǔ)CaCO₃之(zhī)间(jiān)的(de)直(zhí)接(jiē)反(fǎn)应(yīng)为(wèi)主要(yào)路径。通(tōng)过(guò)一(yī)系(xì)列(liè)表(biǎo)征(zhēng)表(biǎo)明(míng)选(xuǎn)用(yòng)的(de)模(mó)拟(nǐ)钢(gāng)铁(tiě)固(gù)废(fèi)催(cuī)化(huà)剂(jì)以(yǐ)铁(tiě)的(de)氧(yǎng)化(huà)物(wù)为(wèi)活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)，铝(lǚ)和(hé)锌(xīn)的(de)引(yǐn)入(rù)显(xiǎn)著(zhe)增(zēng)加(jiā)了(le)比(bǐ)表(biǎo)面(miàn)积(jī)和(hé)催(cuī)化(huà)活(huó)性(xìng)位(wèi)点(diǎn)的(de)分(fēn)散(sàn)性(xìng)，进(jìn)一(yī)步(bù)优(yōu)化(huà)铁(tiě)位(wèi)点(diǎn)周(zhōu)围(wéi)的(de)微(wēi)环(huán)境(jìng)。结(jié)合(hé)生(shēng)命(mìng)周(zhōu)期(qī)分(fēn)析(xī)（LCA），研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)评(píng)估(gū)了(le)该(gāi)技(jì)术(shù)在(zài)未(wèi)来(lái)工(gōng)业(yè)场(chǎng)景(jǐng)中(zhōng)的(de)减(jiǎn)碳(tàn)潜(qián)力(lì)，显(xiǎn)示(shì)该(gāi)项(xiàng)技(jì)术(shù)具(jù)有(yǒu)显(xiǎn)著(zhe)的(de)环(huán)境(jìng)效(xiào)益(yì)。

图(tú)2. (a) Fe₂O₃、ZnO、Al₂O₃和(hé)Fe-Al-Zn催(cuī)化(huà)剂(jì)催(cuī)化(huà)性(xìng)能(néng)比(bǐ)较(jiào)。（b）Fe-Al-Zn 催(cuī)化(huà)CaCO₃和(hé)CH₄的(de)共(gòng)热(rè)转(zhuǎn)化(huà)。（c）Fe-Al-Zn 催(cuī)化(huà)CH₄和(hé)CO₂干(gàn)重(zhòng)整(zhěng)反(fǎn)应(yīng)对(duì)比(bǐ)。（d）CH₄和(hé)CaCO₃在(zài)铁(tiě)基(jī)催(cuī)化(huà)剂(jì)作(zuò)用(yòng)下(xià)的(de)反(fǎn)应(yīng)路径

这(zhè)项(xiàng)成(chéng)果(guǒ)发(fā)表(biǎo)于(yú)《国(guó)家(jiā)科(kē)学(xué)评(píng)论(lùn)》（National Science Review）。