将生物质，如用过的食用油，转化为有价值的化学品通过催化作用可以为更加生态友好的化学工业铺平道路。然而，传统方法消耗大量能量并产生有害副产品，同时也缩短了催化剂的使用寿命。最近，科学家们引入了一种可以有效利用微波加热的沸石催化剂。
九州大学的一个团队展示了一种称为Na-ZSM-5的沸石在微波辅助下将生物质转化为烯烃的有效性——这些烯烃是制造从塑料到药品等一系列产品所需的关键化学品。他们的研究成果发表在《化学工程杂志》上，表明使用微波加热Na-ZSM-5可以使化学工业更加节能和可持续。
在生产复杂有机物质时，例如塑料、药物或食品添加剂，从简单的化学前体开始是至关重要的。因此，增强这些前体化学品的高效和可持续生产是一项重要的研究领域。
生产这些重要化学品的一种常用技术是轻烃的重整。不幸的是，这种方法需要大量的能量并排放二氧化碳。废旧食用油和微藻油作为合成简单化学品的低成本来源逐渐显现出来。
这些油可以通过一种称为“催化裂化”的过程转化，使用沸石作为催化剂。沸石是一种天然多孔材料，常用作催化剂或吸附剂。在催化裂化过程中，材料需要加热到极高的温度——约500-600°C。这种方法不仅耗能，还可能导致称为焦化的 undesirable deposition formation，这会缩短催化剂的寿命。
在本研究中，九州大学农业学院的副教授筑城俊太郎及其团队探索了微波技术以加热沸石催化剂到所需温度，同时避免焦化等问题。
筑城表示：“微波直接与材料相互作用，允许精确的能量传递，因此相比传统的对流加热方法可实现显著的节能。” “具体而言，微波通过气相传递并选择性加热固体催化剂，从而增强气固催化过程，在催化剂床中创造热点。”
在研究过程中，团队考察了各种沸石催化剂，以识别那些可以高效通过微波加热并表现出优异催化性能的催化剂。最终，他们重点关注了Na-ZSM-5，这是一种钠离子取代的沸石。
为了证明微波加热与传统加热相比的好处，研究人员进行了甲基油酸酯的催化转化。结果表明，当Na-ZSM-5通过微波加热时，其在脂肪酸酯转化为烯烃方面显著优于其他催化剂，显示出令人瞩目的选择性。进一步来说，二氧化碳的排放仅占总反应产出的1.3%，且未产生一氧化碳。
值得注意的是，微波加热使Na-ZSM-5在500°C下生产的烯烃是传统加热方法的四倍。这种增强主要归因于Na-ZSM-5在烯烃方面对其他化合物的更高选择性。并且，即使在600°C的高温下，微波加热过程中也没有发生焦化。
为了理解为什么微波加热能改善催化过程，研究人员研究了沸石在微波照射下的局部结构变化。令人惊讶的是，他们发现微波吸收导致沸石晶体蜂窝内局部温度超过1000°C，而整体温度保持在500°C。这些局部温度的升高可能促进了烯烃的选择性生产。
将微波加热应用于催化剂可以显著增强生物质转化为有价值化学品的过程，进一步推进当今化学工业的可持续发展目标。
筑城表示：“我们的结果旨在推进化学行业的电气化。由于微波可以从可再生能源如太阳能和风能中产生，我们可以减少生产这些重要化学品所带来的环境足迹。”
研究团队计划进一步改进微波驱动的催化过程，旨在提高产率和能效，同时扩大其可扩展性。他们设想，他们的工作可以开创可持续化学制造的新阶段。
