图为稀土耐蚀普碳钢中的夹杂物类型及元素分布。（a）复合夹杂物（氧化铝+硫化钙+硫化锰）（b）氧化物（氧化铝）（c）稀土氧硫复合夹杂物 （d）稀土硫化物
图为稀土耐蚀普碳钢在光伏支架中的应用。
图为年产百吨4N级高纯电解铁产线和电解铁产品。
图为矿石直接电解制铁机理及电解铁片样品。
图为铁—空气电池原理示意图及样机实物。
七秩笔墨铸钢魂，一炉铁火报家国。在 “双碳” 背景下，低碳绿色转型是钢铁产业高质量发展的必由之路。上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院（以下简称上善院）坚守钢铁报国初心，深耕铁基材料基础理论，围绕铁可逆氧化还原体系开展技术攻关，依托原创核心技术开辟钢铁低碳新赛道，构建循环低碳、可持续发展的钢铁产业新格局
铁拥有0、+2、+3三种典型价态，价态间电子得失构成其氧化还原反应。单质铁失电子氧化生成亚铁、铁离子，高价铁化合物得电子被还原为低价铁或金属铁。电化学体系中，氧化、还原反应分置于两极，电子定向流动产生电流。调控电解液、电压等条件，便可实现铁价态的可逆转化。
上善院围绕铁基可逆氧化还原反应开展精准调控研究，深耕绿电冶金与铁基功能新材料两大方向，相继研发稀土耐蚀普碳钢、4N高纯电解铁、矿石直接电解制铁、长时储能铁—空气电池等系列标志性技术成果。该团队打通基础理论与工程应用壁垒，走出产学研深度融合创新道路，助力钢铁产业向高端化、绿色化、功能化转型升级，为行业提供自主原创、全流程成套绿色解决方案，以核心技术创新践行钢铁报国使命展。
稀土耐蚀普碳钢
于氧化间重塑钢铁防护外衣
普通钢材发生腐蚀是不可逆的破坏性氧化反应，会大幅缩短构件服役寿命。稀土耐蚀普碳钢通过调控氧化还原界面反应，将有害锈蚀转化为钢材原生防护层，该钝化锈蚀并非普通氧化生锈，而是一套精密微观化学防护体系。普通碳钢冶炼残留硫、氧杂质，易生成硫化物、氧化物夹杂，夹杂与钢基体存在电位差，易引发局部点蚀。加入镧、铈稀土后，依托稀土高化学活性重构夹杂物组分结构，夹杂相与基体间电极电位差减小，可从源头抑制点蚀萌生；同时大尺寸镧、铈原子沿晶界偏聚，会降低晶界界面能，封堵晶界腐蚀通道，进一步提升钢材耐蚀性能。
普通碳钢腐蚀后生成疏松多孔的γ-FeOOH（纤铁矿），该物相孔隙发达，极易吸附水汽与腐蚀性离子，持续加速基体内部电化学腐蚀。添加镧、铈稀土元素后，锈层内致密保护性α-FeOOH（针铁矿）占比大幅提升，γ-FeOOH含量显著下降。镧、铈在界面氧化过程中兼具催化与稳定作用，推动锈层无定形腐蚀产物定向转化为α-FeOOH，最终形成连续致密的防护锈膜，阻隔水、氧气、腐蚀介质向基体渗透，实现钢材以锈防锈的自防护效果。
4N高纯铁电解制备
电化学电位分选提纯工艺
高纯电解铁广泛应用于高端装备制造、先进半导体、高性能精密零部件等关键领域，属于战略性基础原材料。此前国内市场高纯电解铁供应基本依靠进口，供给不足、采购成本高昂，严重掣肘国内高端制造、特种冶金产业链国产化进程。
电解铁以电化学电位分选提纯为核心制备原理。上善院与河北龙凤山新材料科技集团携手，历经5年持续研发，深度解析湿法电解提纯铁的微观机理与成套工艺，落地建成国内百吨级4N高纯电解铁量产线，掌握电化学分选提纯核心自主技术。该技术通过全流程工艺精准调控，有效降低产品氧含量、压缩生产制造成本，现已形成3N5、4N、4N5多纯度规格的电解铁系列产品，可全面满足各领域对高纯原料的使用需求。
氧化铁直接电解
绿电零碳炼铁技术
钢铁行业年碳排放量约占全国碳排放总量的15%。截至2025年末，国内风电、光伏累计装机容量已攀升至18.4亿千瓦，新能源发电规模稳居全球首位。但风电、光伏具备显著的波动性与间歇性特征，大规模并网后极易对电网安全构成冲击。
电解制铁工艺为上述两大行业痛点问题提供一体化解决方案。该技术可消纳富余绿电并转化为化学能实现储能，同时在冶炼环节产出近零碳的绿色钢材。当前欧美多国已完成电解制铁中试试验，相关技术研发与产业化布局持续提速。
上善院自主研发低温低电耗酸性体系电解制铁新工艺。该团队系统攻克铁矿原料高效酸溶关键难题，有效抑制电解过程阴极析氢副反应，突破三价铁离子直接电化学转化核心技术瓶颈。该工艺全程将电能作为唯一能量输入，摒弃传统冶金焦炭还原路径，依托电解槽内可控电化学反应实现金属铁定向析出，从冶金反应源头彻底阻断二氧化碳生成，可本质上实现钢铁冶炼全过程低碳化。
该工艺已完成全面实验室验证，能够直接利用磁铁矿、钒钛磁铁矿、硫铁矿、高铁赤泥等各类含铁矿产与冶金固废作为原料，单次电解即可产出纯度为99.9%的高纯铁，每吨铁综合电耗仅4000千瓦时。该团队现已联合安徽龙桥矿业启动中试放大项目，将在2026年下半年完成中试全部试验内容，打通工程化关键环节，推动技术走向大规模产业化生产。
铁—空气电池
低成本规模化长时储能新路径
金属基空气电池本质安全性高，储能应用前景广阔。铁—空气电池能量密度高、原料廉价、绿色无污染，适配大规模长时储能场景。电池依托铁可逆氧化还原实现储能，模拟可控 “锈蚀—还原” 循环：负极为金属铁，正极取用空气（氧气），采用水系电解液。放电时，铁被氧化产电并生成铁氧化物；充电时，氧化物被电解还原为金属铁，完成能量往复存储与释放。
上善院联合江苏师范大学在铁—空气电池领域取得多项关键突破：自研多孔铁粉电极，循环寿命超100小时，解决负极钝化难题；采用0.5摩尔每升中性电解液降低极化，添加硫化物有效抑制析氢副反应。该团队开发静态、流动态两款样机：2.8伏特静态样机稳定运行50小时以上；流动态样机连续工作超150小时，可驱动LED（发光二极管）、照明负载，具备实用供电能力。
从稀土耐蚀普碳钢到高纯电解铁，再到电解制铁与铁—空气电池，上善院高性能钢铁材料团队始终紧扣铁的反应本质，在铁的可逆氧化还原控制这一基础科学命题中持续深耕、不断拓展。当前，该团队正加速贯通“实验室原创—中试验证—工程转化”的全链条通道，致力将材料优势转化为产业竞争优势。
（刘腾轼/图文）