九州大学的研究人员发现，一种名为 Na-ZSM-5 的沸石材料可以利用微波有效改善生物质向烯烃(一种可用于制造从塑料到药品等各种产品的前体化学物质)的化学转化。
研究团队在《化学工程杂志》上发表了他们的研究成果，并解释说，Na-ZSM-5 的微波加热可以为更节能、更可持续的化学工业打开大门。
如果要合成复杂的有机化合物，无论是塑料、药物还是食品添加剂，通常都需要从结构简单的化学前体开始。当然，寻找高效且可持续地合成前体化学品的方法是一个广泛研究的领域。
合成这些基本化学品的常用方法是通过重整石脑油的过程。然而，这个过程需要大量的能量并释放二氧化碳。食用油废料和微藻油被认为是合成这些简单化学品的替代和廉价来源。
这些油可以通过一种叫做“催化裂解”的方法在一种叫做沸石的材料的帮助下进行转化。沸石是一种多孔天然材料，通常用作催化剂或吸收剂。
在催化裂解过程中，材料需要加热到 500-600°C 的高温。除了非常耗能外，在这样的温度下作还会导致不必要的沉积物堆积，这种现象称为焦化，会缩短催化剂的使用寿命。
在本次研究中，九州大学农学院副教授椿木俊太郎和他的团队尝试利用微波将沸石催化剂加热到所需温度，而不会产生焦化等负面影响。
Tsubaki 解释说：“微波直接与材料相互作用，可以选择性地向材料传递能量，与传统的热对流过程相比，可以显著节省能源。特别是，微波可以通过直接穿过气相并选择性加热固体催化剂来加速气固催化。它们通过在催化剂床内形成空间热点来实现这一点。”
在他们的研究中，研究人员首先比较了各种沸石催化剂，寻找能够被微波有效加热并发挥良好催化性能的催化剂。通过理论和实验分析，他们将范围缩小到 Na-ZSM-5，一种钠离子取代的沸石。
接下来，为了展示微波加热相对于传统加热的优势，研究人员对油酸甲酯进行了催化转化。当使用微波加热时，Na-ZSM-5 的表现优于其他催化剂，实现了脂肪酸酯到烯烃的高转化效率和高选择性。此外，二氧化碳的产量被抑制到仅占总反应产量的 1.3%，并且完全没有产生一氧化碳。
最重要的是，与传统加热至 500°C 相比，Na-ZSM-5 微波加热至 500°C 可使烯烃产量提高四倍。这在一定程度上是由于 Na-ZSM-5 选择性更高，可生成烯烃而不是其他化合物。此外，即使在 600°C 的高温下，使用微波加热也不会观察到焦炭形成。
最后，为了阐明微波加热为何能改善催化过程的各个方面，研究人员分析了沸石在暴露于微波时局部结构的变化。有趣的是，他们发现微波吸收导致沸石晶格局部温度超过 1000°C，即使本体材料的温度保持在 500°C。这些极端温度可能是推动烯烃选择性生产的原因。
微波加热催化剂可以显著提高催化生物质转化率，有助于实现现代化学工业的可持续发展目标。
Tsubaki 表示：“我们的研究结果有望促进化学工业的进一步电气化。由于微波可以利用太阳能和风能等可再生能源产生，因此我们可以减少这些基础化学品合成对环境的影响。”
研究人员计划进一步增强微波催化工艺，力求在扩大产能的同时提高产量和能源效率。他们希望他们的努力能够开创可持续化学制造的新时代。
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