微波驅動的化學催化過程為化學反應提供了一種獨特的、選擇性的非平衡態反應系統，近年來廣受關注。相較傳統加熱，微波可誘導離子的振動運動和分子的旋轉運動，并可增加單個原子和分子的動能，最終在原子尺度上產生溫度梯度。得益于該選擇性、快速加熱和非平衡場特性，微波能量能夠實現向特定催化位點的定向傳輸，強化期望的反應路徑并弱化副反應的發生，增強目標產物選擇性，有利于促進綠色化學工業的發展。微波獨特的加熱方式可充分保障加熱效率，熱能利用高，無接觸污染，設備占地小，可顯著降低能耗，具有節能、環保和高效優勢。理化所油氣開發及節能環保新材料研發中心三次采油團隊近幾年重點圍繞微波驅動熱催化開展廢舊塑料化學回收，農林廢棄生物質回收和工業廢鹽資源化等研究工作。

圖1.微波驅動熱催化固體廢棄物化學解聚

在廢舊聚烯烴塑料化學回收方面，課題組通過結構設計和功能活性物種組裝，采用簡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。在微波驅動下，約3.5分鐘便可將多種廢塑料如LDPE、HDPE、PP和填埋場混雜廢塑料高效轉化為氫氣和多璧碳納米管。同時，相比于傳統電爐加熱方式，微波驅動催化不僅可以提升2～3倍的氫氣產量，而且能顯著降低能量消耗。相關研究工作發表于Chemical Engineering Journal (2024, 483, 149270)。

圖2.廢舊塑料高效制取氫氣/碳納米管

在農林廢棄生物質回收方面，課題組以價廉經濟的生物炭為原料，以廢舊鋰離子電池和生物質共回收為出發點，成功制備了多種性能優異的鋰離子電池衍生催化劑。在微波驅動且較為溫和的條件下（350 ºC）成功將水稻秸稈催化轉化為高產量附加值合成氣（H2和CO）和富含單環芳烴的液體產品。相關研究工作發表于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熱解

廢塑料向單體和基礎化工產品的轉化是有效管理廢塑料和實現循環經濟的重要舉措。近日，課題組開發了一種一步微波熱解耦合ZSM-5催化重整技術，成功實現了多種塑料如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化，為塑料向高價值石化產品的轉化提供了一種潛在的途徑。相關研究工作發表于Energy Conversion and Management (2024, 312, 118571)。

圖4.廢舊塑料制取BTEX

此外，團隊也在利用微波催化工業廢鹽資源化開發，低碳醇轉化制烯烴以及低碳醇蒸汽重整制氫等領域取得顯著進展。

研究工作得到了國家重點研發計劃，理化所所長基金和企業技術開發經費的資助。

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