作為精細(xì)化工產(chǎn)品和高溫耐火材料,氧化鎂廣泛應(yīng)用于航空航天電子、鋼鐵等多個(gè)領(lǐng)域。然而,由于技術(shù)的限制,低端氧化鎂產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一直占據(jù)主要市場(chǎng)份額,而高純氧化鎂則依賴從日本、歐洲進(jìn)口。

在2020年,唐山海港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院轉(zhuǎn)化研究中心(以下簡(jiǎn)稱“研究中心”)自主研發(fā)的“原電池法超高純氧化鎂”技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破,解決了我國(guó)自上世紀(jì)70年代開始攻關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化難題,打破了一直以來該領(lǐng)域被國(guó)外技術(shù)“卡脖子”的狀況。

2023年8月3日,由唐山市商務(wù)局、唐山海港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)共同舉辦的“鎂循環(huán)產(chǎn)業(yè)技術(shù)成果發(fā)布會(huì)”隆重召開。在發(fā)布會(huì)上,“研究中心”研發(fā)的“300噸級(jí)鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線”重磅亮相,標(biāo)志著該技術(shù)正式步入產(chǎn)業(yè)化階段。鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線落地后,電流密度將維持在5.8mA·cm-²,每年可生產(chǎn)高純度氧化鎂300噸,產(chǎn)生綠色直流電40萬度。

同時(shí),鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線的亮相,也將打通一個(gè)囊括風(fēng)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(fā)展開辟新路徑。

創(chuàng)新超高純氧化鎂/電力聯(lián)產(chǎn)制備方式

據(jù)了解,我國(guó)每年進(jìn)口高純度海水鎂砂約40萬噸。在鋼鐵企業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)的環(huán)境下,預(yù)計(jì)中國(guó)整個(gè)鋼鐵行業(yè)對(duì)高純度鎂砂的年需求量是140萬噸至160萬噸。

在此之前,國(guó)內(nèi)外制備氧化鎂生產(chǎn)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(guó)冶金等高端制造產(chǎn)業(yè)需求。同時(shí),日本、歐洲等對(duì)海水合成法技術(shù)長(zhǎng)期壟斷,致使我國(guó)不得不大量進(jìn)口,成本居高不下。

由“研究中心”自主研發(fā)的“原電池法超高純氧化鎂技術(shù)”以鎂金屬為陽(yáng)極,以自主開發(fā)的納米級(jí)碳/非貴金屬基催化劑為復(fù)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(dá)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(chǎn)品成品率更高,工藝更穩(wěn)定,且生產(chǎn)過程無(低)能耗,并能產(chǎn)生大量?jī)?yōu)質(zhì)直流電,是一種綠色、高效、穩(wěn)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(shù)”不僅實(shí)現(xiàn)了超高純氧化鎂的高效和清潔生產(chǎn),更極大地填補(bǔ)了我國(guó)冶金工業(yè)中高純度氧化鎂的缺口。2020年12月,在河北省科學(xué)技術(shù)廳的科技成果鑒定中,“原電池法超高純氧化鎂技術(shù)”被評(píng)為國(guó)際先進(jìn)水平。

顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)階之路

每一項(xiàng)科技創(chuàng)新成果的問世,背后都離不開研發(fā)團(tuán)隊(duì)的努力,“原電池法超高純氧化鎂”技術(shù)的研發(fā)也不例外,凝聚了科研人員智慧的結(jié)晶。

作為北京理工大學(xué)面向河北的重要窗口和橋梁,“研究中心”在唐山市海港區(qū)的大力支持下,于2020年5月成立。“研究中心”充分發(fā)揮大學(xué)在人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)提升等方面的作用,大力促進(jìn)校企軍民結(jié)合,打造一批具有鮮明特色的“產(chǎn)、學(xué)、研、用、資”創(chuàng)新載體,科學(xué)規(guī)劃、合理布局,逐步形成較完善的區(qū)域創(chuàng)新體系,以強(qiáng)大生命力為地方區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供長(zhǎng)效支撐。

“研究中心”通過政府引導(dǎo)、市場(chǎng)主導(dǎo)的創(chuàng)新模式,促進(jìn)科技產(chǎn)業(yè)融合,走出了一條具有地方特色的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新路徑。

“原電池法超高純氧化鎂”技術(shù)是“研究中心”聚焦的四大核心技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)整個(gè)研發(fā)過程都伴隨著產(chǎn)業(yè)鏈條,在研發(fā)開始就考慮到了后續(xù)產(chǎn)品社會(huì)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合,利用高效、可循環(huán)的生產(chǎn)方式,為該領(lǐng)域的發(fā)展帶來了強(qiáng)大的推動(dòng)力。

“原電池法超高純氧化鎂”技術(shù)的誕生,是一個(gè)在拓?fù)鋷缀螌W(xué)為指導(dǎo)下的電化學(xué)、材料化學(xué)、機(jī)械學(xué)、催化化學(xué)等多學(xué)科融合的技術(shù)成果。整個(gè)技術(shù)研發(fā)過程中,每一個(gè)應(yīng)用到的材料和實(shí)驗(yàn)方法,都是前所未有的,也都是綜合性和高度復(fù)雜的修正過程。在研發(fā)過程中,研發(fā)團(tuán)隊(duì)攻克了多個(gè)技術(shù)難關(guān)。

2020年12月,原電池法超高純氧化鎂/電力聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目技術(shù)成果正式發(fā)布;2021年6月,打通技術(shù)落地的“最后一公里”,原電池法超高純氧化鎂技術(shù)千噸生產(chǎn)線舉行啟動(dòng)儀式。在經(jīng)過兩年多時(shí)間的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā),“300噸級(jí)鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線”成功落地,技術(shù)創(chuàng)新取得階段性重大成果,預(yù)計(jì)在半年到一年的時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)千噸以上的量產(chǎn)規(guī)模。

在落實(shí)“雙碳”中大有可為

隨著“300噸級(jí)鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線”的落地,將助力鋼鐵、水泥、玻璃等傳統(tǒng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。以鋼鐵行業(yè)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(duì)推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈再造和價(jià)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(shù)具備一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì),就是生產(chǎn)工藝零能耗、生產(chǎn)過程零排放,生產(chǎn)過程中不排放任何液體、氣體和廢棄的固體物。通過該技術(shù)制備出的高純度氧化鎂不僅將作為耐火材料,大量應(yīng)用于鋼鐵冶煉過程,促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的節(jié)能減排,更可以用于制備新能源材料和光催化材料,在環(huán)境保護(hù)、能源開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這將有助于推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

值得一提的是,在發(fā)布會(huì)上,“鎂循環(huán)”成為一個(gè)高度關(guān)注的熱詞。作為一種絕佳的儲(chǔ)能材料,鎂具有運(yùn)輸安全、綠色環(huán)保、放電過程可控等優(yōu)點(diǎn)。由于鎂和氧化鎂之間的轉(zhuǎn)換是可逆的,所以它可以作為能量載體,替代碳循環(huán)成為長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存資源。以無污染的鎂循環(huán)來代替碳循環(huán)能源,有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能源儲(chǔ)備的國(guó)家戰(zhàn)略。

“300噸級(jí)鎂電聯(lián)產(chǎn)量產(chǎn)級(jí)產(chǎn)線”的落地,將是我國(guó)超高純氧化鎂技術(shù)研發(fā)的新起點(diǎn)。隨著高質(zhì)量發(fā)展的不斷深入,“原電池法超高純氧化鎂”技術(shù)也將憑借其突出優(yōu)勢(shì),在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中迎來更為“鎂”麗的前景。