综述：微波辅助碳捕集与转化：材料合成、CO2再生与催化

《Journal of Engineering and Technology Management》：Microwave-assisted carbon capture and conversion: Materials synthesis, CO 2 regeneration and catalysis

本综述系统阐述了微波技术在碳捕集与转化（CCUS）领域的创新应用，涵盖高性能吸附剂（如MOFs）的快速合成、低能耗再生及高效催化转化（如Boudouard反应）。微波凭借其体积加热与选择性能量传递特性，显著提升了材料性能（如NiCo-MOF-74的CO2吸附量达6.68 mmol·g?1）和过程效率（再生能耗降低约33%），为碳中和目标提供了关键技术路径。

　　

引言

21世纪面临的关键挑战是由温室气体排放驱动的气候变化，其中二氧化碳（CO₂）是大气中最普遍的气体，其浓度从195年的约300 ppm急剧上升至2024年1月的422.8 ppm，对生态系统和人类社会构成重大威胁。为实现2050年净零排放目标，开发高效、低能耗的碳捕集、利用与封存（CCUS）技术至关重要。传统碳捕集技术如胺洗涤和固体吸附存在高能耗、溶剂降解等挑战。微波技术因其独特的加热机制（如分子级选择性加热、快速升温和高能效）而在材料合成和再生中展现出显著优势。

微波辅助合成先进CO₂吸附剂

本章系统探讨了微波辅助合成技术用于开发高性能CO₂吸附材料。研究表明，微波合成能极大加速生产并增强材料性能。例如，双金属NiCo-MOF-74的微波合成时间仅为常规方法的1/24（60分钟），其比表面积高达1147 m²·g^?1，在25℃和1 bar条件下CO₂吸附量达6.68 mmol·g^?1。另一种氮掺杂多孔聚合物（NENP-1）在仅30分钟内以92%的产率合成，CO₂吸附容量为2.97 mmol·g^?1。微波加热效率由材料的介电特性（如复介电常数ε = ε′ - jε″和损耗角正切tanδ = ε″/ε′）决定，其体积加热特性可实现快速均匀的能量传递。

微波驱动材料再生

在微波辅助CO₂吸附材料再生领域，反应器配置对吸附-脱附效能、能耗和材料稳定性至关重要。微波再生显著提高了过程效率：MCM-48的再生仅需3分钟，时间减少75%；而对30 wt% MEA溶液的微波辅助再生使能耗降低约33%。微波再生利用其穿透深度（D_p）公式（D_p = λ₀ / [2π√(2ε′)] × [√(1 + (ε″/ε′)²) - 1]^-1/2）实现快速脱附，其中λ₀为微波在自由空间的波长。这为能源高效碳捕集提供了潜在策略。

微波辅助催化CO₂转化

研究表明，微波技术能够通过催化转化过程将CO₂转化为有价值的化学产品。微波辅助Boudouard反应在900℃下实现81.9%的CO₂转化率；添加5% BaCO₃后，转化率提升至99%，活化能降至46.3 kJ·mol^?1，约为常规加热所需的31%。微波催化利用其热效应（如快速均匀升温）和潜在的非热效应（微波场直接影响分子取向和反应路径），从而在转化效率和选择性上超越传统方法。

结论与未来展望

本研究表明，微波技术通过快速体积加热和选择性能量传递，显著增强了材料性能和过程效率。未来研究应优先考虑中试和工业规模反应器开发，并系统研究微波-材料相互作用机制，以推动大规模碳管理。多场耦合机理、材料-微波协同效应和规模化挑战是重点方向。微波技术在实现碳中和发展目标方面展现出广阔前景。