微波驅(qū)動(dòng)的化學(xué)催化過(guò)程為化學(xué)反應(yīng)提供了一種獨(dú)特的、選擇性的非平衡態(tài)反應(yīng)系統(tǒng)，近年來(lái)廣受關(guān)注。相較傳統(tǒng)加熱，微波可誘導(dǎo)離子的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)和分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可增加單個(gè)原子和分子的動(dòng)能，最終在原子尺度上產(chǎn)生溫度梯度。得益于該選擇性、快速加熱和非平衡場(chǎng)特性，微波能量能夠?qū)崿F(xiàn)向特定催化位點(diǎn)的定向傳輸，強(qiáng)化期望的反應(yīng)路徑并弱化副反應(yīng)的發(fā)生，增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物選擇性，有利于促進(jìn)綠色化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。微波獨(dú)特的加熱方式可充分保障加熱效率，熱能利用高，無(wú)接觸污染，設(shè)備占地小，可顯著降低能耗，具有節(jié)能、環(huán)保和高效優(yōu)勢(shì)。理化所油氣開(kāi)發(fā)及節(jié)能環(huán)保新材料研發(fā)中心三次采油團(tuán)隊(duì)近幾年重點(diǎn)圍繞微波驅(qū)動(dòng)熱催化開(kāi)展廢舊塑料化學(xué)回收，農(nóng)林廢棄生物質(zhì)回收和工業(yè)廢鹽資源化等研究工作。

圖1.微波驅(qū)動(dòng)熱催化固體廢棄物化學(xué)解聚

在廢舊聚烯烴塑料化學(xué)回收方面，課題組通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能活性物種組裝，采用簡(jiǎn)易的一步燃燒法制備了多種兼具微波吸收和催化性能的自分散Ni-Co和Ni-Fe雙金屬催化劑。在微波驅(qū)動(dòng)下，約3.5分鐘便可將多種廢塑料如LDPE、HDPE、PP和填埋場(chǎng)混雜廢塑料高效轉(zhuǎn)化為氫氣和多璧碳納米管。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)電爐加熱方式，微波驅(qū)動(dòng)催化不僅可以提升2～3倍的氫氣產(chǎn)量，而且能顯著降低能量消耗。相關(guān)研究工作發(fā)表于Chemical Engineering Journal (2024, 483, 149270)。

圖2.廢舊塑料高效制取氫氣/碳納米管

在農(nóng)林廢棄生物質(zhì)回收方面，課題組以價(jià)廉經(jīng)濟(jì)的生物炭為原料，以廢舊鋰離子電池和生物質(zhì)共回收為出發(fā)點(diǎn)，成功制備了多種性能優(yōu)異的鋰離子電池衍生催化劑。在微波驅(qū)動(dòng)且較為溫和的條件下（350 ºC）成功將水稻秸稈催化轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)量附加值合成氣（H2和CO）和富含單環(huán)芳烴的液體產(chǎn)品。相關(guān)研究工作發(fā)表于Journal of Environmental Chemical Engineering (2024, 12, 112099)。

圖3.廢舊鋰離子電池及衍生催化劑微波輔助催化生物質(zhì)熱解

廢塑料向單體和基礎(chǔ)化工產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化是有效管理廢塑料和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要舉措。近日，課題組開(kāi)發(fā)了一種一步微波熱解耦合ZSM-5催化重整技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了多種塑料如LDPE、HDPE、PP和混合塑料向乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、乙苯和二甲苯的高效催化轉(zhuǎn)化，為塑料向高價(jià)值石化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化提供了一種潛在的途徑。相關(guān)研究工作發(fā)表于Energy Conversion and Management (2024, 312, 118571)。

圖4.廢舊塑料制取BTEX

此外，團(tuán)隊(duì)也在利用微波催化工業(yè)廢鹽資源化開(kāi)發(fā)，低碳醇轉(zhuǎn)化制烯烴以及低碳醇蒸汽重整制氫等領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。

研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，理化所所長(zhǎng)基金和企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)的資助。

文章鏈接：

CEJ：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724007551

JECE: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221334372400229X

ECM: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890424005120