综述：微波辅助热解固体废物制备高价值碳纳米材料和氢气的研究进展

这篇综述系统探讨了微波辅助热解（MAP）技术将固体废物（如废轮胎、塑料和生物质）转化为高价值碳纳米材料（CNMs）和氢气（H2）的潜力。文章对比了传统热解与微波热解的差异，强调后者在能量效率、加热速率和产物质量上的优势，并深入分析了催化剂（如Fe、Co、Ni及其双金属复合物）和工艺参数（微波功率、温度、停留时间）对产物选择性的调控机制。

　　

微波辅助热解固体废物的技术革新

摘要
全球每年产生约110亿吨固体废物，亟需通过循环经济策略实现资源化。微波辅助热解（MAP）因其独特的内部加热机制和高效能量转换，成为将废轮胎、塑料及生物质转化为碳纳米材料（CNMs）和氢气（H₂）的前沿技术。与传统热解相比，MAP可降低活化能40–150 kJ/mol，并将反应温度缩减100–150°C，同时显著提升产物纯度。

1. 引言
固体废物中，废轮胎、塑料和生物质因富含碳氢元素成为理想原料。例如，塑料含氢量达8–14%，而生物质年产量超1500亿吨。CNMs（如碳纳米管CNTs、石墨烯）凭借高比表面积和导电性，广泛应用于能源存储与生物技术；氢气则因其零排放特性被视为未来能源载体。

2. 传统与微波热解的对比分析
传统热解依赖外部加热，存在温度梯度大、能耗高的缺陷。MAP通过微波介电加热直接激发分子偶极旋转，形成反向温度梯度（核心温度高于表面），使H₂产率提升15%，且气体热值提高20%。例如，Bakelite热解中，MAP在800°C下产氢量达120 g/kg，较传统方法效率提升显著。

3. 微波热解的基础原理
微波（频率2.45 GHz）与物料相互作用取决于介电性能。废轮胎因含碳黑易吸收微波，而生物质需添加SiC等吸收剂增强响应。介电损耗因子（tan δ=ε″/ε′）决定加热效率，Fe催化剂通过d带空穴促进C–H键断裂，使H₂选择性达90%以上。

4. 加热模式的影响
单模微波腔体通过精准聚焦电磁场产生局部热点，适合高选择性反应。例如，锯末转化中单模系统效率优于多模，氢浓度提升至81.2 vol%。

5. 催化剂与CNMs合成的关联
铁基催化剂（如FeAlO_x@C）在1:3原料比下可生成直径20–30 nm的CNTs，且石墨化程度（I_D/I_G比0.84）优于镍钴体系。双金属催化剂（如Fe_0.7Ni_0.3-Al₂O₃）通过尖端生长机制形成均匀纳米管，而化学活化剂（H₃PO₄）则用于制备比表面积超1000 m²/g的活性炭。

6. 氢气生产的优化策略
Fe/Ni-CeO₂@CNTs催化剂在1000°C下实现91.5 vol%氢纯度，产率50.2 mmol/g塑料。温度是关键变量：600°C时H₂占比35.6%，远超传统热解1000°C的结果（29.8 vol%）。停留时间延长至45分钟可使产氢量提升20%。

7. 结论与展望
MAP技术通过催化剂设计与参数协同优化，最高可实现441.1 mmol/g的氢产率和90%以上的CNTs石墨化度。未来需开发抗硫中毒催化剂，并探索废轮胎-生物质共热解的协同效应，以推动工业化应用。