微波加热技术在催化反应中的应用

Sum283No.4化学工程师

Chemical Engineer2019年第4期

DOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20190469

微波加热技术在催化反应中的应用

石藝杰，朱佳欢，李洁君，张丽媛

(上海市质量监督检验技术研究院，上海200233)

摘要:本文概括了微波加热的机理，阐述了微波与碳材料的耦合效应的作用原理,综述了微波加热技术在催化反应中应用的研究进展,指出了微波技术在催化反应中的应用所面临的主要问题，并对其发展方向进行了展望,为微波加热技术在催化反应中的研究与应用提供参考。

关键词:微波加热;催化;碳材料

中图分类号:TQ9文献标识码:A

Application of microwave heating technology in catalytic reaction

SHI Liu—jie,ZHU Jia-huan,LI Jie—jun,ZHANG Li—yuan

(Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research.Shanghai200233,China) Abstract:The mechanism of microwave heating is generalized.The principle of the coupling effect of mi­crowave and carbon material is expounded.The application of microwave heating technology in catalytic reaction is reviewed.Main problems and its development direction of the application of microwave heating technology are pointed out,providing reference for the research and application of microwave heating technology in catalytic reac-

Key words:microwave heating;catalysis;carbon material

微波由于具有选择性加热、高效性、穿透能力强等特点，被广泛应用于有机反应、催化剂制备、催化反应等各个化学领域IT。大部分碳材料可以用作为优良的微波吸收材料，因为碳材料表面的离域电子能够与微波场产生强烈的耦合作用.引发持续的高温,形成“热点”，从而提高化学反应速率、转化率和选择性。本文对微波加热的原理、微波与碳材料的耦合效应进行了阐述，综述了微波加热技术在催化反应中应用的研究进展，并对其发展方向进行了展望。

1微波加热的原理

微波是频率为0.3-300GHz.波长为0.001~lm 的电磁波。为了防止对远程通讯信号产生干扰，所有国产家用微波炉和化学合成专用的微波反应器的工作频率均为2.45GHz。由于微波是一种高频电磁波,所以它具有很高的能量,常被应用于萃取微量物质、有机合成和生物杀菌等领域。

收稿日期:2018-12-12

作者简介：石遴杰（1992-）,女.助理工程师,2017年毕业于华东理工大学化学工程专业.硕士，主要从事微波加热技术.食品接

触材料研究。

可

紫外线1红外线无线电波

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10,(,10^10-810-710“10-510"10-310-210-'I

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3xlO123xl0'°3x10s3xl063xl043x10'

频率/MHz

分子旋转内壳层

电子

微波加热某种材料的能力主要依赖于材料本身吸收微波转化为热量的能力。微波加热的机理有两种:偶极极化效应和界面极化效应。在外加交变电磁场的作用下,样品内极性分子极化.并伴随电磁场极性的不断变化而改变取向，众多极性分子频繁地相互摩擦损耗，此时，能量以热量的形式耗散。另一种情况下，材料表面有可以移动的自由电子，在外加交变电磁场作用下，电子的快速迁移会诱导产生交变电流,电子在转向过程中会与周围粒子相互摩擦、碰撞.从而产生能量损失，这种现象称作界面极化。

传统情况下，有机合成反应通常靠外部热源通过传导式加热为体系提供能量（如油浴加热）,这种加热方式受多种材料的导电系数影响.而且会导致反应容器的温度比反应物温度高，因此，效率不高。相反，微波加热通过微波与反应物分子间的耦合效

70石婆杰等：微波加热技术在催化反应中的应用2019年第4期应实现从内部直接加热反应体系。

图2比较了两种加热方式的差异，微波加热(a)

瞬间提高了反应物的温度，而油浴加热(h)最先加热

的是反应容器。因此，微波加热在很多情况下呈现出

传统加热无法比拟的优势⑸。

500 450 400 350 300460 440 420 400 380 360 340 320

图2(a)微波加热和(b)油浴加热相反的温度分布梯度Fig.2Inverted temperature gradients in(a)microwave versus

(b)oil-bath heating

2微波与碳材料的耦合效应

具有高介电损耗的固体材料可以作为微波受体用于微波辐射条件下的不同过程。在众多材料中，碳材料是很好的微波吸收材料，它们很容易被微波加热。这个特点使其能够作为微波受体，从而直接加热其他材料，或者在各种的非均相反应体系中充当催化剂和微波受体为体系供热。

大多数碳材料，包括炭黑(CB)、石墨(G)、碳纤维和碳纳米纤维(CNTs),能够极好地吸收微波辐射(MW),因为他们具有很高的介电损耗特性。当碳材料暴露于微波辐射中时，材料表面离域的TT电子与电磁场相互作用。由于界面极化效应(也称麦克斯韦-瓦格纳效应),相当一部分的微波能量可以转化为热能。因此，在微波辐射条件下，碳材料很容易被加热到1000七以上。与球形碳材料相比，碳纳米管和碳纳米纤维的微波吸收性能更好，因为根据渗流理论，高比表面可以提高材料的传导损耗。因此，这些材料作为新一代微波吸收材料显示岀了巨大的潜力。

图3为模拟微波辐射条件下含Pt/AC的环己烷溶液和水的温度分布图。图3微波辐射条件下的模拟温度分布(a)Pt/C催化剂的环己烷溶液(b)含Pt/C催化剂的水

Fig.3Simulated temperature distribution in water and cyclohexane solvents in the presence of Pt/AC catalyst under

microwave irradiation

由图3可以发现，在非极性的环己烷溶剂中，活性炭被选择性加热，而水中的活性炭没有发生选择性加热现象，则是因为水极易吸收微波冏。因此.当反应液体或者溶剂不能吸收微波时，可以加入对微波吸收效果好的材料作为微波受体。它可以起传递作用，吸收体系内的微波转化为热能来加热其他物质。这种方法可以应用于催化反应中，当反应物本身不吸收微波时，用可以吸收微波的材料作为催化剂或载体，那么催化剂表面的温度就会高于周围液体的温度,由于反应在催化剂表面发生，所以这就变相地提高了反应温度，有效地促进了吸热反应的进行71。

对碳材料来说.介电损耗被认为是影响微波吸收的主要因素⑷。具体而言，在微波下，碳材料的导电性显著影响热性能。Xing Li等呦测定了含不同碳材料的5种悬浮液的导电性，发现不同样品的导电性之间存在巨大差异。含纳米碳管的悬浮液具有最高的导电性，接着依次是炭黑、碳纳米纤维、石墨和活性炭样品。其中，除了石墨样品，都与碳样本得到的数据一致.包括介电损耗因子、温度升高的初始速率和稳定温度。因此，导电性和微波诱导的热性能间的关系是合理的。另外，他们还发现要让含碳悬浮液达到高导电性，十氢蔡中碳颗粒或聚集体良好的分散性比碳材料良好的结晶度更重要。碳材料的低体积密度与高比表面有利于它在悬浮液中形成导电网络，从而促进悬浮液对微波的吸收。对于石墨样品，高结晶度和大粒径仍然有利，能使石墨粒子本身导电，从而在微波下有效的转移能量并加热悬浮液。

B.Fidalgo'问等认为，碳材料的结构及表面性质会影响微波加热性能,碳材料孔隙率越大，微波加热性能越差；表面含氧官能团的存在也不利于微波加热，因为含氧官能团对电子有亲和力，会吸引离域6