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Un pas vers une extraction du fer plus propre grâce à l'électricité

Un pas vers une extraction du fer plus propre grâce à l’électricité

par La rédaction
14 avril 2025
en Durable, Environnement

Le fer et ses alliages, tels que l’acier et la fonte, dominent le monde moderne, et la demande de produits dérivés du fer ne cesse de croître. Traditionnellement, les hauts fourneaux transforment le minerai de fer en métal élémentaire purifié, mais ce processus nécessite beaucoup d’énergie et émet de la pollution atmosphérique. Aujourd’hui, des chercheurs ont mis au point une méthode plus propre pour extraire le fer d’un minerai de fer synthétique à l’aide de l’électrochimie, méthode qui, selon eux, pourrait devenir compétitive sur le plan des coûts par rapport aux hauts fourneaux.

« L’identification des oxydes qui peuvent être convertis en fer métal à basse température est une étape importante dans le développement de processus entièrement électrifiés pour la fabrication de l’acier », indique Paul Kempler, auteur correspondant de l’étude.

La fabrication électrochimique du fer permet d’isoler le métal en faisant passer de l’électricité dans un liquide qui contient des matières premières contenant du fer. Comparé aux hauts fourneaux à haute température, le processus électrochimique pourrait réduire considérablement les émissions de polluants atmosphériques, tels que les gaz à effet de serre, le dioxyde de soufre et les particules, et permettre des économies d’énergie considérables.

Auparavant, Kempler et ses collègues avaient utilisé ce procédé pour convertir des solutions contenant des particules solides d’oxyde de fer(III) et de l’hydroxyde de sodium directement en fer élémentaire à des températures de l’ordre de 176 à 194 degrés Fahrenheit (80 à 90 degrés Celsius). Cependant, lorsque certains minerais de fer naturels contenant des particules denses de taille irrégulière et des impuretés ont été testés, ce processus à basse température ne s’est pas avéré suffisamment sélectif.

Kempler et une nouvelle équipe de chercheurs dirigée par Anastasiia Konovalova et Andrew Goldman ont donc voulu comprendre quelles matières premières semblables au minerai de fer pourraient permettre une croissance évolutive du processus.

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Tout d’abord, les chercheurs ont préparé des particules d’oxyde de fer de grande surface avec des trous internes et des cavités de connexion pour étudier l’impact de la morphologie à l’échelle nanométrique des particules sur la réaction électrochimique. Ils ont ensuite converti certaines de ces particules en particules d’oxyde de fer d’une largeur de l’ordre du micromètre afin d’imiter la morphologie des minerais naturels. Ces particules ne contenaient que quelques traces d’impuretés, telles que le carbone et le baryum. L’équipe a conçu une cathode spécialisée pour extraire le fer métal d’une solution d’hydroxyde de sodium contenant les particules d’oxyde de fer au fur et à mesure que le courant la traverse.

Lors des expériences, les oxydes de fer denses ont été réduits, ou convertis en fer élémentaire, de la manière la plus sélective à une densité de courant de 50 milliampères par centimètre carré, similaire à la charge rapide des batteries lithium-ion. Inversement, les particules libres présentant une porosité plus élevée, et donc une surface plus importante, ont facilité la production électrochimique de fer de manière plus efficace que les particules ressemblant à l’hématite, un minerai de fer naturel moins poreux.

Les chercheurs ont évalué le coût potentiel de leur méthode de fabrication électrochimique du fer. À la densité de courant utilisée dans les expériences, ils ont estimé que le fer pouvait être produit à moins de 600 dollars par tonne métrique (0,60 dollar par kilogramme), ce qui est comparable à la fabrication de fer traditionnelle. L’étude a montré que des densités de courant beaucoup plus élevées, jusqu’à 600 milliampères par centimètre carré, similaires à celles utilisées dans les cellules d’électrolyse industrielles, pouvaient être obtenues en utilisant des particules à porosité nanométrique.

D’autres progrès dans la conception des cellules électrochimiques et des techniques visant à rendre les matières premières d’oxyde de fer plus poreuses seront nécessaires avant que la technologie ne soit adoptée commercialement.

Légende illustration : C’est la forme et la porosité, et non la taille, des particules d’oxyde métallique qui déterminent l’efficacité de la fabrication électrochimique du fer. Crédit : Adapted from ACS Energy Letters 2025, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00166

Article : « Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3 » – DOI : 10.1021/acsenergylett.5c00166

Source : ACS

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Tags: electriciteextractionfer
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Iron and its alloys, such as steel and cast iron, dominate the modern world, and there’s growing demand for iron-derived products. Traditionally, blast furnaces transform iron ore into purified elemental metal, but the process requires a lot of energy and emits air pollution. Now, researchers in ACS Energy Letters report that they’ve developed a cleaner method to extract iron from a synthetic iron ore using electrochemistry, which they say could become cost-competitive with blast furnaces.

"Identifying oxides which can be converted to iron metal at low temperatures is an important step in developing fully electrified processes for steelmaking," says Paul Kempler, the study’s corresponding author.

Electrochemical ironmaking isolates the metal by passing electricity through a liquid that holds iron-containing feedstocks. Compared to high-temperature blast furnaces, the electrochemical process could significantly reduce air pollution emissions, such as greenhouse gases, sulfur dioxide and particulate matter, and suggests considerable energy savings. Previously, Kempler and colleagues used this process to convert solutions containing solid iron(III) oxide particles and sodium hydroxide directly into elemental iron at temperatures around 176 to 194 degrees Fahrenheit (80 to 90 degrees Celsius). However, when some natural iron ores with irregularly sized, dense particles and impurities were tested, this low-temperature process wasn’t selective enough. So, Kempler and a new team of researchers led by Anastasiia Konovalova and Andrew Goldman wanted to understand which iron ore-like feedstocks could support scalable growth of the process.

First, the researchers prepared high surface area iron oxide particles with internal holes and connective cavities to investigate how the nanoscale morphology of the particles impacted the electrochemical reaction. Then, they converted some of these into micrometer-wide iron oxide particles to mimic the morphology of natural ores. These particles contained only a few trace impurities, such as carbon and barium. The team designed a specialized cathode to pull iron metal from a sodium hydroxide solution containing the iron oxide particles as current passed through it. In experiments, dense iron oxides were reduced, or converted into elemental iron, most selectively at a current density of 50 milliamperes per square centimeter, similar to rapidly charging lithium-ion batteries. Conversely, loose particles with higher porosity, and thus higher surface area, facilitated more efficient electrochemical iron production, as compared to those made to resemble the less porous natural iron ore hematite.  

The researchers evaluated the potential cost of their electrochemical ironmaking method. At the current density used in the experiments, they estimated that iron could be produced at less than $600 per metric ton ($0.60 per kilogram), which is comparable to traditional ironmaking. The study showed that much higher current densities, up to 600 milliamperes per square centimeter, similar to those used in industrial electrolysis cells, could be achieved when using particles with nanoscale porosity. Further advances in electrochemical cell design and techniques to make iron oxide feedstocks more porous will be required before the technology sees commercial adoption.

The authors acknowledge funding from the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences.

The paper’s abstract will be available on April 9 at 8 a.m. Eastern time here: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.5c00166  

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The American Chemical Society (ACS) is a nonprofit organization founded in 1876 and chartered by the U.S. Congress. ACS is committed to improving all lives through the transforming power of chemistry. Its mission is to advance scientific knowledge, empower a global community and champion scientific integrity, and its vision is a world built on science. The Society is a global leader in promoting excellence in science education and providing access to chemistry-related information and research through its multiple research solutions, peer-reviewed journals, scientific conferences, e-books and weekly news periodical Chemical & Engineering News. ACS journals are among the most cited, most trusted and most read within the scientific literature; however, ACS itself does not conduct chemical research. As a leader in scientific information solutions, its CAS division partners with global innovators to accelerate breakthroughs by curating, connecting and analyzing the world’s scientific knowledge. ACS’ main offices are in Washington, D.C., and Columbus, Ohio.

Note: ACS does not conduct research but publishes and publicizes peer-reviewed scientific studies.

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Journal

ACS Energy Letters

DOI

10.1021/acsenergylett.5c00166

Article Title

Pathways to Electrochemical Ironmaking at Scale Via the Direct Reduction of Fe2O3

Article Publication Date

9-Apr-2025

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