作為精細化工產品和高溫耐火材料,氧化鎂廣泛應用于航空航天電子、鋼鐵等多個領域。然而,由于技術的限制,低端氧化鎂產品在國內市場上一直占據主要市場份額,而高純氧化鎂則依賴從日本、歐洲進口。

在2020年,唐山海港經濟開發區北京理工大學機械與車輛學院轉化研究中心(以下簡稱“研究中心”)自主研發的“原電池法超高純氧化鎂”技術實現突破,解決了我國自上世紀70年代開始攻關的技術和產業化難題,打破了一直以來該領域被國外技術“卡脖子”的狀況。

2023年8月3日,由唐山市商務局、唐山海港經濟開發區管理委員會共同舉辦的“鎂循環產業技術成果發布會”隆重召開。在發布會上,“研究中心”研發的“300噸級鎂電聯產量產級產線”重磅亮相,標志著該技術正式步入產業化階段。鎂電聯產量產級產線落地后,電流密度將維持在5.8mA·cm-2,每年可生產高純度氧化鎂300噸,產生綠色直流電40萬度。

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同時,鎂電聯產量產級產線的亮相,也將打通一個囊括風能、光能、海洋資源、鎂材料、鎂清潔能源的“SWOME”綠色能源、資源新體系,為探索綠色低碳發展開辟新路徑。

創新超高純氧化鎂/電力聯產制備方式

據了解,我國每年進口高純度海水鎂砂約40萬噸。在鋼鐵企業全面轉型升級的環境下,預計中國整個鋼鐵行業對高純度鎂砂的年需求量是140萬噸至160萬噸。

在此之前,國內外制備氧化鎂生產工藝主要為礦石煅燒法和海水/鹵水提純法,礦石煅燒法氧化鎂純度最高僅98.5%,無法完全滿足我國冶金等高端制造產業需求。同時,日本、歐洲等對海水合成法技術長期壟斷,致使我國不得不大量進口,成本居高不下。

由“研究中心”自主研發的“原電池法超高純氧化鎂技術”以鎂金屬為陽極,以自主開發的納米級碳/非貴金屬基催化劑為復合陰極,突破性地使用了碳基高分子做為催化劑,可制備出最高純度達99.95%的超高純氧化鎂。相比較而言,原電池法制備成本更低,工藝路線更短,產品成品率更高,工藝更穩定,且生產過程無(低)能耗,并能產生大量優質直流電,是一種綠色、高效、穩定、低成本的高純度氧化鎂制備方式。

“原電池法超高純氧化鎂技術”不僅實現了超高純氧化鎂的高效和清潔生產,更極大地填補了我國冶金工業中高純度氧化鎂的缺口。2020年12月,在河北省科學技術廳的科技成果鑒定中,“原電池法超高純氧化鎂技術”被評為國際先進水平。

顛覆性技術創新的進階之路

每一項科技創新成果的問世,背后都離不開研發團隊的努力,“原電池法超高純氧化鎂”技術的研發也不例外,凝聚了科研人員智慧的結晶。

作為北京理工大學面向河北的重要窗口和橋梁,“研究中心”在唐山市海港區的大力支持下,于2020年5月成立。“研究中心”充分發揮大學在人才培養、科技創新、產業提升等方面的作用,大力促進校企軍民結合,打造一批具有鮮明特色的“產、學、研、用、資”創新載體,科學規劃、合理布局,逐步形成較完善的區域創新體系,以強大生命力為地方區域經濟和社會發展提供長效支撐。

“研究中心”通過政府引導、市場主導的創新模式,促進科技產業融合,走出了一條具有地方特色的產學研結合的創新路徑。

“原電池法超高純氧化鎂”技術是“研究中心”聚焦的四大核心技術之一。這項技術整個研發過程都伴隨著產業鏈條,在研發開始就考慮到了后續產品社會價值與經濟效益的結合,利用高效、可循環的生產方式,為該領域的發展帶來了強大的推動力。

“原電池法超高純氧化鎂”技術的誕生,是一個在拓撲幾何學為指導下的電化學、材料化學、機械學、催化化學等多學科融合的技術成果。整個技術研發過程中,每一個應用到的材料和實驗方法,都是前所未有的,也都是綜合性和高度復雜的修正過程。在研發過程中,研發團隊攻克了多個技術難關。

2020年12月,原電池法超高純氧化鎂/電力聯產項目技術成果正式發布;2021年6月,打通技術落地的“最后一公里”,原電池法超高純氧化鎂技術千噸生產線舉行啟動儀式。在經過兩年多時間的產業化技術開發,“300噸級鎂電聯產量產級產線”成功落地,技術創新取得階段性重大成果,預計在半年到一年的時間內可實現千噸以上的量產規模。

在落實“雙碳”中大有可為

隨著“300噸級鎂電聯產量產級產線”的落地,將助力鋼鐵、水泥、玻璃等傳統行業實現轉型升級。以鋼鐵行業為例,氧化鎂是堿性耐火材料最核心原材料,超高純度氧化鎂可有效降低鋼的非金屬夾雜,提高抗疲勞性能、韌性、塑性和耐腐蝕性,對推動鋼鐵行業的產業鏈再造和價值鏈提升具有重大意義。

相比較于礦石煅燒法和海水/鹵水提純法,“原電池法超高純氧化鎂”技術具備一個顯著的優勢,就是生產工藝零能耗、生產過程零排放,生產過程中不排放任何液體、氣體和廢棄的固體物。通過該技術制備出的高純度氧化鎂不僅將作為耐火材料,大量應用于鋼鐵冶煉過程,促進整個行業的節能減排,更可以用于制備新能源材料和光催化材料,在環境保護、能源開發領域發揮重要作用。這將有助于推動“雙碳”目標的早日實現。

值得一提的是,在發布會上,“鎂循環”成為一個高度關注的熱詞。作為一種絕佳的儲能材料,鎂具有運輸安全、綠色環保、放電過程可控等優點。由于鎂和氧化鎂之間的轉換是可逆的,所以它可以作為能量載體,替代碳循環成為長期能源儲存資源。以無污染的鎂循環來代替碳循環能源,有利于實現節能減排和能源儲備的國家戰略。

“300噸級鎂電聯產量產級產線”的落地,將是我國超高純氧化鎂技術研發的新起點。隨著高質量發展的不斷深入,“原電池法超高純氧化鎂”技術也將憑借其突出優勢,在各個行業領域的應用中迎來更為“鎂”麗的前景。

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