东京大学开发精准加热技术
部分工业生产过程需要借助热能来制造有用的化学品，但传统的加热方式往往效率低下，其中一个重要原因是加热范围远超过实际所...
部分工业生产过程需要借助热能来制造有用的化学品，但传统的加热方式往往效率低下，其中一个重要原因是加热范围远超过实际所需的反应区域。东京大学与其他机构的研究人员开发出一种新型加热技术，能够将热能精准限制在发生化学反应的关键区域。该技术采用与家用微波炉原理相近的微波，通过激发被加热材料中特定分散元素的共振，实现局部能量输入。实验证明，该系统的能效比现有方法提高了约4.5倍。
气候变化问题远不止于发电和二氧化碳（CO₂）排放。如何降低能源需求并减少CO₂排放，已成为科学与工程领域亟需解决的核心课题。在绿色转型的大背景下，东京大学化学系统工程系的岸本文夫讲师及其团队致力于探索工业过程的能效优化路径。他们最新研发的技术有望对化学合成相关行业产生深远影响，并可能带来一系列积极效应。其核心思路其实相当直观。
“在大多数情况下，化学反应仅发生在涉及少数原子或分子的极小局部区域。这意味着即使在大型化学反应器中，也只有有限部分真正需要能量输入以驱动反应，”岸本解释道。“然而，传统加热方法，如燃烧或热流体，会将热能分散至整个反应器。我们之所以开展这项研究，是受到微波炉加热食物原理的启发——微波或许能将能量精准聚焦于原子尺度的活性位点。”
正如岸本所言，该过程在概念上类似于微波炉的工作原理。不同之处在于，家用微波通常工作在约2.45吉赫兹，以激发极性水分子（这也是为什么加热剩菜有时会干扰Wi-Fi信号），而他们的系统则将频率调整至约900兆赫兹。这一频段更适合激发目标材料——沸石。
“最具挑战性的环节，是证明只有单个原子活性位点被微波选择性加热。为此，我们在日本世界级的大型同步辐射设施SPring-8中，耗费四年时间搭建了一套专用实验系统，”岸本表示。“我们选用类似海绵状结构的沸石作为载体，这种材料极为理想，因为其孔径可调，能够平衡反应过程中的多个因素。在沸石孔道内部，铟离子如同微型天线，受到微波激发后产生局部高温，进而将热量传递给流经孔道的反应物。”
通过这种选择性加热机制，研究人员得以在较低整体温度下实现通常需要苛刻条件的反应，例如水分解或甲烷转化——这两者对于生产燃料产品具有重要意义。通过调控沸石的孔径，还可以进一步提升反应选择性：较小的孔径有助于提高效率，而较大的孔径则增强了对反应路径的控制能力。
此外，该技术还具备一项关键优势：它可用于碳捕集过程，在甲烷转化中实现CO₂的回收利用，并提升塑料回收的可行性。
当然，该技术目前仍面临一些挑战。首要问题是如何将其从实验室推广至工业规模——实验室的成功往往难以直接复制于大规模的工业环境。此外，该研究还存在若干技术瓶颈：材料制备要求较高，成本不菲；原子尺度下的温度精确测量极为困难，现有数据多依赖间接证据，亟需发展更直接的测温方法；尽管能效已显著提升，但在热能与电能的转换过程中仍存在损耗，尚有进一步优化的空间。
“我们计划将这一技术理念延伸至其他关键化学反应，例如CO₂转化，并进一步优化催化剂设计，以提高其耐久性与可扩展性，”岸本指出。“目前该技术仍处于实验室阶段。要实现工业应用，还需在催化剂开发、反应器设计以及与可再生能源系统耦合等方面取得突破。虽然难以给出确切时间表，但我们预计在十年内开展中试规模的示范。更广泛的工业应用将取决于技术成熟度与能源基础设施的协同发展。为此，我们正在积极寻求企业合作伙伴，共同推进该项技术的联合开发。”
气候变化问题远不止于发电和二氧化碳（CO₂）排放。如何降低能源需求并减少CO₂排放，已成为科学与工程领域亟需解决的核心课题。在绿色转型的大背景下，东京大学化学系统工程系的岸本文夫讲师及其团队致力于探索工业过程的能效优化路径。他们最新研发的技术有望对化学合成相关行业产生深远影响，并可能带来一系列积极效应。其核心思路其实相当直观。
“在大多数情况下，化学反应仅发生在涉及少数原子或分子的极小局部区域。这意味着即使在大型化学反应器中，也只有有限部分真正需要能量输入以驱动反应，”岸本解释道。“然而，传统加热方法，如燃烧或热流体，会将热能分散至整个反应器。我们之所以开展这项研究，是受到微波炉加热食物原理的启发——微波或许能将能量精准聚焦于原子尺度的活性位点。”
正如岸本所言，该过程在概念上类似于微波炉的工作原理。不同之处在于，家用微波通常工作在约2.45吉赫兹，以激发极性水分子（这也是为什么加热剩菜有时会干扰Wi-Fi信号），而他们的系统则将频率调整至约900兆赫兹。这一频段更适合激发目标材料——沸石。
“最具挑战性的环节，是证明只有单个原子活性位点被微波选择性加热。为此，我们在日本世界级的大型同步辐射设施SPring-8中，耗费四年时间搭建了一套专用实验系统，”岸本表示。“我们选用类似海绵状结构的沸石作为载体，这种材料极为理想，因为其孔径可调，能够平衡反应过程中的多个因素。在沸石孔道内部，铟离子如同微型天线，受到微波激发后产生局部高温，进而将热量传递给流经孔道的反应物。”
通过这种选择性加热机制，研究人员得以在较低整体温度下实现通常需要苛刻条件的反应，例如水分解或甲烷转化——这两者对于生产燃料产品具有重要意义。通过调控沸石的孔径，还可以进一步提升反应选择性：较小的孔径有助于提高效率，而较大的孔径则增强了对反应路径的控制能力。
此外，该技术还具备一项关键优势：它可用于碳捕集过程，在甲烷转化中实现CO₂的回收利用，并提升塑料回收的可行性。
当然，该技术目前仍面临一些挑战。首要问题是如何将其从实验室推广至工业规模——实验室的成功往往难以直接复制于大规模的工业环境。此外，该研究还存在若干技术瓶颈：材料制备要求较高，成本不菲；原子尺度下的温度精确测量极为困难，现有数据多依赖间接证据，亟需发展更直接的测温方法；尽管能效已显著提升，但在热能与电能的转换过程中仍存在损耗，尚有进一步优化的空间。
“我们计划将这一技术理念延伸至其他关键化学反应，例如CO₂转化，并进一步优化催化剂设计，以提高其耐久性与可扩展性，”岸本指出。“目前该技术仍处于实验室阶段。要实现工业应用，还需在催化剂开发、反应器设计以及与可再生能源系统耦合等方面取得突破。虽然难以给出确切时间表，但我们预计在十年内开展中试规模的示范。更广泛的工业应用将取决于技术成熟度与能源基础设施的协同发展。为此，我们正在积极寻求企业合作伙伴，共同推进该项技术的联合开发。”
