Некоторые промышленные процессы, используемые для создания полезных химических веществ, требуют нагрева, но методы нагрева часто неэффективны, отчасти потому, что они нагревают больший объем пространства, чем им действительно нужно. Исследователи, в том числе из Токийского университета, разработали способ ограничить отопление конкретными областями, необходимыми в таких ситуациях. В их методике используются микроволны, мало чем отличающиеся от тех, которые используются в домашних микроволновых печах, для возбуждения определенных элементов, диспергированных в нагреваемых материалах. Их система оказалась примерно в 4,5 раза эффективнее существующих методов.

Хотя изменение климата — это нечто большее, чем производство электроэнергии и углекислый газ (CO₂), снижение потребности в первом и производство второго являются критически важными вопросами, которые наука и техника стремятся решить. Под широким знаменем «зеленой» трансформации преподаватель Фуминао Кисимото с факультета инженерии химических систем Токийского университета и его команда исследуют способы улучшения таких вещей, как промышленные процессы. Их последняя разработка может повлиять на некоторые отрасли, связанные с химическим синтезом, и может иметь некоторые другие положительные ответвления. И их основная идея относительно проста.

«В большинстве случаев химические реакции происходят только в очень маленьких, локализованных областях, включающих всего несколько атомов или молекул. Это означает, что даже в большом химическом реакторе только ограниченные части действительно требуют затрат энергии для реакции», — сказал Кисимото.

«Однако традиционные методы нагрева, такие как сжигание или горячие жидкости, рассеивают тепловую энергию по всему реактору. Мы начали это исследование с идеи о том, что микроволны могут концентрировать энергию на одном атомно-активном центре, подобно тому, как микроволновая печь нагревает пищу».

Как упоминает Кисимото, этот процесс похож по концепции на то, как работает микроволновая печь, только в этом случае вместо того, чтобы микроволны были настроены на нагрев полярных молекул воды с частотой около 2,45 гигагерц (что также является обычной частотой Wi-Fi, если вы когда-нибудь замечали, что ваше интернет-соединение становится нестабильным, когда вы нагреваете остатки еды), их микроволны настроены на гораздо более низкие частоты около 900 мегагерц. Это связано с тем, что именно они идеально подходят для возбуждения материала, который они хотели бы нагреть, цеолита.

«Самым сложным аспектом было доказать, что только один атомно-активный центр нагревается микроволнами. Чтобы достичь этого, мы потратили четыре года на разработку специализированной экспериментальной среды на большой японской установке синхротронного излучения мирового класса SPring-8», — сказал Кисимото.

«Для этого использовался губчатый цеолит, который идеально подходит, потому что мы можем контролировать размеры полостей губки, что позволяет нам уравновешивать различные факторы реакций. Внутри полостей губки ионы индия действуют как антенны. Они возбуждаются микроволнами, которые создают тепло, которое затем может быть передано реакционным материалам, проходящим через губку».

Селективно доставляя тепло к определенным материалам, более низкие общие температуры могут быть использованы для достижения реакций, которые в противном случае были бы очень требовательными, таких как разложение воды или конверсия метана, которые полезны для создания топливных продуктов. Они могут еще больше улучшить селективность за счет изменения размера пор цеолитовой губки, при этом меньшие поры обеспечивают большую эффективность, а большие поры обеспечивают больший контроль над реакциями.

И одним из ключевых преимуществ является то, что этот метод может быть использован даже для улавливания углерода, переработки CO₂ в рамках преобразования метана, и даже легче перерабатывать пластик.

Теперь проблема будет заключаться в том, как масштабировать эту деятельность, чтобы стимулировать промышленное внедрение — вещи, которые работают в лаборатории, не так легко перенести на большие промышленные предприятия. И есть некоторые ограничения в исследованиях, которые также необходимо устранить в первую очередь. Требования к материалам довольно сложны и не просты или дешевы в производстве; Трудно точно измерить температуру в атомном масштабе, поэтому современные данные опираются на косвенные доказательства, и предпочтительнее использовать более прямые средства. И, несмотря на повышение эффективности, здесь все еще есть возможности для улучшения, так как на этом пути есть потери тепла и электроэнергии.

«Мы стремимся распространить эту концепцию на другие важные химические реакции, помимо CO₂ Конверсия и дальнейшая оптимизация конструкции катализатора для повышения долговечности и масштабируемости. Технология пока находится на лабораторной стадии. Масштабирование потребует дальнейшей разработки катализаторов, конструкции реакторов и интеграции с возобновляемыми источниками энергии», — сказал Кисимото.

«Хотя трудно назвать точные сроки, мы ожидаем пилотных демонстраций в течение следующего десятилетия, а более широкое промышленное внедрение будет зависеть от прогресса как в технологиях, так и в энергетической инфраструктуре. Для этого мы ищем корпоративных партнеров, которые будут заниматься совместным развитием».