作为精细化工产品和高温耐火材料,氧化镁广泛应用于航空航天电子、钢铁等多个领域。然而,由于技术的限制,低端氧化镁产品在国内市场上一直占据主要市场份额,而高纯氧化镁则依赖从日本、欧洲进口。

在2020年,唐山海港经济开发区北京理工大学机械与车辆学院转化研究中心(以下简称“研究中心”)自主研发的“原电池法超高纯氧化镁”技术实现突破,解决了我国自上世纪70年代开始攻关的技术和产业化难题,打破了一直以来该领域被国外技术“卡脖子”的状况。

2023年8月3日,由唐山市商务局、唐山海港经济开发区管理委员会共同举办的“镁循环产业技术成果发布会”隆重召开。在发布会上,“研究中心”研发的“300吨级镁电联产量产级产线”重磅亮相,标志着该技术正式步入产业化阶段。镁电联产量产级产线落地后,电流密度将维持在5.8mA·cm-²,每年可生产高纯度氧化镁300吨,产生绿色直流电40万度。

同时,镁电联产量产级产线的亮相,也将打通一个囊括风能、光能、海洋资源、镁材料、镁清洁能源的“SWOME”绿色能源、资源新体系,为探索绿色低碳发展开辟新路径。

创新超高纯氧化镁/电力联产制备方式

据了解,我国每年进口高纯度海水镁砂约40万吨。在钢铁企业全面转型升级的环境下,预计中国整个钢铁行业对高纯度镁砂的年需求量是140万吨至160万吨。

在此之前,国内外制备氧化镁生产工艺主要为矿石煅烧法和海水/卤水提纯法,矿石煅烧法氧化镁纯度最高仅98.5%,无法完全满足我国冶金等高端制造产业需求。同时,日本、欧洲等对海水合成法技术长期垄断,致使我国不得不大量进口,成本居高不下。

由“研究中心”自主研发的“原电池法超高纯氧化镁技术”以镁金属为阳极,以自主开发的纳米级碳/非贵金属基催化剂为复合阴极,突破性地使用了碳基高分子做为催化剂,可制备出最高纯度达99.95%的超高纯氧化镁。相比较而言,原电池法制备成本更低,工艺路线更短,产品成品率更高,工艺更稳定,且生产过程无(低)能耗,并能产生大量优质直流电,是一种绿色、高效、稳定、低成本的高纯度氧化镁制备方式。

“原电池法超高纯氧化镁技术”不仅实现了超高纯氧化镁的高效和清洁生产,更极大地填补了我国冶金工业中高纯度氧化镁的缺口。2020年12月,在河北省科学技术厅的科技成果鉴定中,“原电池法超高纯氧化镁技术”被评为国际先进水平。

颠覆性技术创新的进阶之路

每一项科技创新成果的问世,背后都离不开研发团队的努力,“原电池法超高纯氧化镁”技术的研发也不例外,凝聚了科研人员智慧的结晶。

作为北京理工大学面向河北的重要窗口和桥梁,“研究中心”在唐山市海港区的大力支持下,于2020年5月成立。“研究中心”充分发挥大学在人才培养、科技创新、产业提升等方面的作用,大力促进校企军民结合,打造一批具有鲜明特色的“产、学、研、用、资”创新载体,科学规划、合理布局,逐步形成较完善的区域创新体系,以强大生命力为地方区域经济和社会发展提供长效支撑。

“研究中心”通过政府引导、市场主导的创新模式,促进科技产业融合,走出了一条具有地方特色的产学研结合的创新路径。

“原电池法超高纯氧化镁”技术是“研究中心”聚焦的四大核心技术之一。这项技术整个研发过程都伴随着产业链条,在研发开始就考虑到了后续产品社会价值与经济效益的结合,利用高效、可循环的生产方式,为该领域的发展带来了强大的推动力。

“原电池法超高纯氧化镁”技术的诞生,是一个在拓扑几何学为指导下的电化学、材料化学、机械学、催化化学等多学科融合的技术成果。整个技术研发过程中,每一个应用到的材料和实验方法,都是前所未有的,也都是综合性和高度复杂的修正过程。在研发过程中,研发团队攻克了多个技术难关。

2020年12月,原电池法超高纯氧化镁/电力联产项目技术成果正式发布;2021年6月,打通技术落地的“最后一公里”,原电池法超高纯氧化镁技术千吨生产线举行启动仪式。在经过两年多时间的产业化技术开发,“300吨级镁电联产量产级产线”成功落地,技术创新取得阶段性重大成果,预计在半年到一年的时间内可实现千吨以上的量产规模。

在落实“双碳”中大有可为

随着“300吨级镁电联产量产级产线”的落地,将助力钢铁、水泥、玻璃等传统行业实现转型升级。以钢铁行业为例,氧化镁是碱性耐火材料最核心原材料,超高纯度氧化镁可有效降低钢的非金属夹杂,提高抗疲劳性能、韧性、塑性和耐腐蚀性,对推动钢铁行业的产业链再造和价值链提升具有重大意义。

相比较于矿石煅烧法和海水/卤水提纯法,“原电池法超高纯氧化镁”技术具备一个显著的优势,就是生产工艺零能耗、生产过程零排放,生产过程中不排放任何液体、气体和废弃的固体物。通过该技术制备出的高纯度氧化镁不仅将作为耐火材料,大量应用于钢铁冶炼过程,促进整个行业的节能减排,更可以用于制备新能源材料和光催化材料,在环境保护、能源开发领域发挥重要作用。这将有助于推动“双碳”目标的早日实现。

值得一提的是,在发布会上,“镁循环”成为一个高度关注的热词。作为一种绝佳的储能材料,镁具有运输安全、绿色环保、放电过程可控等优点。由于镁和氧化镁之间的转换是可逆的,所以它可以作为能量载体,替代碳循环成为长期能源储存资源。以无污染的镁循环来代替碳循环能源,有利于实现节能减排和能源储备的国家战略。

“300吨级镁电联产量产级产线”的落地,将是我国超高纯氧化镁技术研发的新起点。随着高质量发展的不断深入,“原电池法超高纯氧化镁”技术也将凭借其突出优势,在各个行业领域的应用中迎来更为“镁”丽的前景。

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