水泥，当下应用最为普遍的建筑材料，却在全球碳排放领域“声名狼藉”——每生产一吨水泥熟料，就会释放出约0.8吨二氧化碳，这相当于一辆卡车行驶1000公里所产生的碳排放量。水泥行业释放的二氧化碳占全球总排放量的7.5%，且其生产过程中的碳排放主要源于碳酸钙的分解，正因如此，水泥行业成了工业领域碳减排工作的关键与难题。

不过，近期科研团队在水泥领域低碳化生产上有了新突破——能让钢铁冶金行业的固体废弃物“化腐朽为神奇”，助力水泥生产实现碳减排。这项由中国科学院大连化学物理研究所的路芳、蔡睿研究员团队和刘中民院士带领开展的研究，借助一种创新的催化技术，大幅削减了水泥生产中因碳酸盐分解产生的碳排放。而且，催化剂与反应产物无需分离，还能“变废为宝”产出高价值的合成气。这一技术为水泥领域的绿色低碳发展开辟了新方向、新途径。

传统水泥生产的关键环节是高温分解石灰石（CaCO₃），这一过程会释放大量二氧化碳，占整个工艺碳排放的60%。研究团队在反应体系中引入了另一种温室气体——甲烷（CH₄），并创新性地提出利用水泥生料中的铁组分构建催化体系，引入基于钢铁固废的铁基催化剂。实验表明，这种催化剂可使碳酸钙分解产生的碳排放降低近80%。值得一提的是，反应后铁基催化剂无需与氧化钙产物分离，可直接作为生产原料用于水泥熟料生产，既降低了成本，又避免了二次污染。

图1. 钢铁固废催化水泥生产工艺

研究进一步深入剖析，提出了合理的催化机制。其中，直接反应路径是吸附在特定位置的 CH₄ 与 Ca - Fe 界面处的碳氧键发生相互作用，进而转化为 CO 和 H₂；而分解 - 吸附路径则是 CaCO₃ 先进行分解，生成 CaO 和 CO₂，随后 CO₂ 再与经过活化的 CH₄ 发生反应，最终生成 CO 和 H₂。研究团队通过严谨的实验证实，在 CH₄ 与 CaCO₃ 的反应过程中，直接反应路径占据主导地位。

借助一系列专业的表征手段，研究团队发现所选用模拟钢铁固废的催化剂，其活性位点为铁的氧化物。而且，铝和锌的加入效果显著，它们大幅增加了催化剂的比表面积，还使得催化活性位点的分散性得到明显提升，从而进一步优化了铁位点周围的微环境。

此外，研究团队结合生命周期分析（LCA）方法，对该技术未来在工业场景中的减碳潜力进行了全面评估。评估结果显示，这项技术在减少碳排放方面具有突出的环境效益。

图2. (a) Fe₂O₃、ZnO、Al₂O₃和Fe-Al-Zn催化剂催化性能比较。（b）Fe-Al-Zn 催化CaCO₃和CH₄的共热转化。（c）Fe-Al-Zn 催化CH₄和CO₂干重整反应对比。（d）CH₄和CaCO₃在铁基催化剂作用下的反应路径

这项成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。