近日，西安交通大学材料学院、金属材料强度全国重点实验室、微纳中心（CAMP-Nano）周徐洋教授与德国马克斯-普朗克可持续材料研究所、德国于利希恩斯特·鲁斯卡电子显微镜与光谱学研究中心合作，在氢基绿色炼铁反应机制研究方面取得新进展。研究团队揭示了磁铁矿氢基还原过程中由铁阳离子扩散介导的“异位反应-相变”机制。相关成果以《绿色钢铁冶金中阳离子扩散介导的异位反应-相变》（Cation Diffusion-Mediated Displaced Reaction-Transformation in Green Steelmaking）为题发表于《先进科学》（Advanced Science）。

以氢气替代化石碳源直接还原铁氧化物，是钢铁工业实现低碳转型的重要技术路径。然而，铁氧化物还原涉及表面化学反应、离子迁移、界面运动和晶体结构转变等多个相互耦合的过程。反应及相变究竟如何从材料表面向内部推进，长期以来仍缺乏清晰的认识。

研究团队利用时间分辨环境扫描透射电子显微镜，在约3 Pa氢气环境下原位观察200至1000°C范围内磁铁矿（Fe₃O₄）的还原过程，并结合块体实验和原子尺度模拟，系统分析表面形貌重构、铁阳离子输运和相变之间的关系。

原位观察表明，磁铁矿表面在氢气作用下发生明显的台阶生长和形貌重构。通入氢气时，表面台阶持续推进；停止供氢后，台阶运动随即停止，说明这一过程由还原反应直接驱动。约700°C时，Fe₃O₄开始向Fe_1-xO转变。

磁铁矿氢基还原过程中的表面台阶生长与动态重构。原位环境透射电镜显示，Fe₃O₄表面随温度升高形成并推进台阶结构；通入氢气时台阶持续生长，停止供氢后运动随即停止。图片来源：Guo et al.,《先进科学》（Advanced Science），DOI: 10.1002/advs.76583。

研究发现，氢气首先从材料表面脱除氧，并引起铁阳离子富集和快速迁移。当阳离子扩散速度超过局部还原反应速度时，相变不再局限于表面反应前沿，而会在远离初始反应位置的区域发生。研究团队将这一过程概括为“异位反应-相变”。在727°C时，表面反应位置与内部相变位置之间的空间距离，比传统模型假设的反应前沿厚度大2至4个数量级。

块体磁铁矿实验进一步发现，Fe_1-xO可在Fe₃O₄内部形成延伸数十微米的三维网-板状结构。这说明，铁阳离子介导的异位反应-相变并非局限于纳米尺度，而是能够跨越多个尺度，影响实际铁矿石的还原过程。

块体磁铁矿氢基还原过程中形成的三维网-板状Fe_1-xO结构。背散射电子成像和电子背散射衍射揭示了Fe_1-xO在Fe₃O₄基体中的空间分布；原子探针和机理示意图表明，表面脱氧产生的铁阳离子向材料内部扩散，并在局部驱动Fe₃O₄向Fe_1-xO转变。图片来源：Guo et al.,《先进科学》（Advanced Science），DOI: 10.1002/advs.76583。

该研究明确了阳离子输运在氢基还原中的关键作用，为调控铁氧化物还原动力学和微观组织、优化绿色炼铁工艺提供了新的理论依据。相关认识也有助于理解铁空气电池、金属燃烧和腐蚀等固态氧化还原过程。

研究成果以《绿色钢铁冶金中阳离子扩散介导的异位反应-相变》（Cation Diffusion-Mediated Displaced Reaction-Transformation in Green Steelmaking）为题发表在《先进科学》（Advanced Science）。论文第一作者为Guangyi Guo（郭广艺）；Baptiste Bienvenu、Xuyang Zhou（周徐洋）教授和Dierk Raabe教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）等项目支持。

周徐洋，西安交通大学材料学院教授、博士生导师，入选国家级青年人才计划，德国洪堡学者，材料学院微纳室/单智伟教授团队。相关成果以第一作者或通讯作者发表于Nature Synthesis、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters、Advanced Materials、Acta Materialia等国际期刊。

课题组聚焦绿色冶金智能制造，围绕绿色冶金与镁合金开展应用研究，发展增材制造等先进制造技术，利用先进电镜、三维原子探针等手段解析原子尺度机制，并据此实现对材料成分、缺陷与界面的精准调控，同时探索人工智能、机器人及具身智能在材料设计、制备与表征中的应用，服务于绿色低碳发展、高端装备研制和月基制造等前沿领域。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76583

周徐洋教授个人主页：https://mse.xjtu.edu.cn/info/1111/9070.htm