微波裂解中使用的吸波催化剂的研究状况

Research Status of Microwave-Absorbing Catalysts Used in Microwave Pyrolysis

摘要: 随着化石能源枯竭和环境问题加剧，微波裂解作为高效生物质转化技术脱颖而出。然而，生物质自身低介电损耗正切导致微波吸收效率不足，引发局部过热和温度失控，亟需高效微波吸收剂介入。本文综述了微波裂解技术中微波吸收剂的核心作用及其能量损耗机制，聚焦于解决生物质原料介电损耗能力弱的瓶颈问题。分析了例如碳基催化剂、陶瓷基催化剂、沸石和金属氧化物等常见的吸波催化剂的吸波性能及其催化能力。简述了目前常用的微波裂解工艺及其工业化应用中常用的配套设备。最后展望了未来需要努力发展的方向，为微波裂解工业化的推广提供理论参考。

Abstract: With the depletion of fossil fuels and intensifying environmental concerns, microwave pyrolysis has emerged as an efficient technology for biomass conversion. However, biomass inherently possesses a low dielectric loss tangent, leading to insufficient microwave absorption efficiency that triggers local overheating and thermal runaway, necessitating the intervention of effective microwave absorbers. The pivotal role of microwave-absorbing agents in microwave pyrolysis technology and their energy dissipation mechanisms, focusing on tackling the bottleneck of weak dielectric loss capacity in biomass feedstock, was summarized in this review paper. The microwave-absorption performance and catalytic capabilities of common microwave-absorbing catalysts such as carbon-based catalysts, ceramic-based catalysts, zeolites, and metal oxides were systemically analyzed and further investigated. Furthermore, the currently employed microwave pyrolysis processes and their auxiliary equipment commonly used in industrial applications was briefly outlined. Finally, the future research directions necessary for advancement along with theoretical insights to promote the industrialization of microwave pyrolysis being provided was also prospected in this review paper.

1. 引言

随着化石能源的枯竭及其利用带来的环境问题日益严峻，开发利用可持续、清洁的可再生能源已成为全球共识。生物质能作为一种储量丰富、分布广泛、碳中性的可再生能源，其高效转化利用技术备受关注。在众多生物质转化技术中，热解作为热化学转化的核心途径之一，可将生物质资源转化为高附加值能源产品，如生物炭、生物油和合成气，在实现能源替代、固碳减排及废弃物资源化方面具有巨大潜力[1] [2]。然而，传统热解技术主要依赖外部热源通过传导、对流或辐射的方式将热量由表及里传递至物料内部。这种热量传递方式严重受限于生物质自身较差的导热性，导致升温速率缓慢、反应器内温度梯度显著，进而引发能耗高、处理时间长、产物选择性差、品质不均一以及常需对原料进行高能耗的精细粉碎预处理等一系列问题[3]。

为了克服传统热解的固有缺陷，微波裂解技术应运而生。该技术利用高频电磁场与物料内部极性分子或离子的相互作用，通过介电损耗机制直接将电磁能转化为热能，产生独特的“体热效应”[4] [5]。这种体相加热模式显著提高了热传递效率，允许处理较大颗粒原料，缩短反应时间，并可通过调控电磁场参数实现对裂解路径和产物分布的优化。研究表明，微波裂解在提升气体产率、改善生物油品质以及优化生物炭结构等方面展现出显著优势[6]。

然而，大多数生物质原料本身的介电损耗正切(tanδ)普遍较低，导致其对微波能的吸收效率有限。在初始加热阶段，原料中的水分虽有助于升温，但其含量对最终产物优化作用有限。更重要的是，生物质组分在裂解过程中介电特性动态变化，易导致局部过热和温度失控，影响反应的均匀性、产物稳定性及整体能效[7]。因此，高效微波吸收剂的引入成为解决上述瓶颈、实现微波裂解高效稳定运行的关键策略。吸波材料催化剂通过其优异的介电损耗或磁损耗机制，将微波能高效转化为热能，并通过辐射或传导方式均匀加热生物质颗粒，有效弥补其自身吸波能力的不足。

近年来，研究者们进一步认识到，单纯的吸热升温虽能提高热解速率，但对产物品质的提升有限。因此，兼具微波吸收与催化活性的吸波催化剂成为研究热点。这类材料不仅能提供高效、均匀的热源，更能通过其活性位点定向调控热解路径，显著提高目标产物(如高品位生物油、富氢气体、功能化生物炭)的产率和品质，从而最大化微波裂解的经济效益和环境效益[8]。

本综述类文章旨在系统综述微波吸收剂，特别是吸波材料催化剂在微波裂解技术中的关键作用及其能量损耗机制。首先，阐述微波裂解技术的基本原理、优势及挑战；其次，深入探讨微波与物质相互作用的基础物理机制，重点分析吸波剂介电损耗与磁损耗的能量转换机制及其关键影响因素；随后，详细评述各类应用于微波裂解的吸波催化剂的吸波特性、催化性能及其在提升裂解效率和产物品质方面的研究进展与应用案例；接着，概述微波裂解的关键工艺及反应器设备发展；最后，总结当前研究现状并展望未来发展方向，为微波裂解技术的优化升级和工业化应用提供理论参考与技术支撑。

2. 微波裂解技术

生物质裂解作为生物质能利用的关键技术，通过微波的热化学转化将生物质资源转化为高附加值能源产品。传统热解技术依赖于外部热源通过传导、对流或辐射方式由表及里传递热量，其过程受限于物料导热性，导致升温速率慢、温度梯度显著，且常需对原料进行精细粉碎预处理以增加比表面积改善传热。而微波裂解则利用高频电磁场作用于生物质内部的极性分子和离子，通过偶极极化和界面极化机制实现能量的体相传递，形成独特的“体热效应”，从而在加热机制、反应动力学及产物特性上与传统热解形成显著差异。

微波裂解和传统热解的加热机制上有着本质的差异，传统热解依赖外部热源通过热传导、对流或辐射传递能量，其升温速率受限于物料的热扩散系数，导致温度梯度沿物料径向分布显著。以木质纤维素类生物质为例，当颗粒尺寸>1 mm时，其中心与表面的温差可达200℃以上，引发外层炭化结焦而内层热解不完全的问题[9] [10]。与之相对，微波裂解利用高频电磁场激发生物质内部的极性分子(如水分、木质素中的羟基)和自由离子，通过介电损耗机制将电磁能直接转化为热能，实现“体热效应”。这一特性使微波穿透深度可达数厘米级，例如竹片的微波穿透深度约为3.5 cm (ε" ≈ 10)，允许直接处理未粉碎原料(颗粒尺寸<3 cm)，避免传统工艺中占系统总能耗15%~25%的粉碎预处理。同时，电磁场局部聚焦形成的“热点”(温度达1300℃)促进自由基反应路径，使竹材热解时间缩短至传统方法的1/3 [11]。

微波裂解的产物分布与品质调控具有一定优势。微波裂解通过能量传递方式的变革，重构了生物质三组分，纤维素、半纤维素、木质素的裂解路径，从而优化产物分布[12]。其气体产率提升源于二次反应的强化：微波诱导的快速升温使挥发分在反应器内滞留时间延长，促进C–C键断裂和脱氧反应，推动气体产率提升。同时提升合成气中H₂/CO比值。在生物油品质控制方面，微波场抑制含氧化合物生成的机理包括两方面：一是选择性加热促使羧基(–COOH)和羰基(C=O)发生脱氧脱羧反应；二是吸波材料(如碳化硅、活性炭)在微波场中产生的高温微区催化裂解大分子有机物，使生物油含氧量降低，芳烃选择性提高。生物炭结构的优化则归因于体相加热的均匀性：微波裂解生物炭的比表面积得到有效提高，石墨微晶尺寸增大，且表面含氧官能团减少，显著增强其在超级电容器电极或土壤修复中的应用潜力。

相较于传统热解方式，微波裂解在能源效率与响应速度上有突出的表现。微波能量的定向转化特性大幅提升系统能效。传统热解炉因辐射热损失和载气(氮气)预热需求，仅30%~40%的能量用于物料热解；而微波体系可将60%~70%的电能直接耦合至反应体系。例如，使用5 kW微波反应器处理稻壳，比能耗仅为1.8 kWh/kg，而传统流化床需2.7 kWh/kg [13]。此外，微波的瞬时启停特性可精准匹配反应动力学需求，避免传统工艺中因热惯性导致的过度裂解，导致气体中二氧化碳(CO₂)占比增加，使系统运行负荷降低。

虽然微波裂解具有诸多优势，但是生物质在直接微波裂解仍然存在局限性。木质纤维素生物质的在进行微波裂解时会受其固有介电特性限制。其介电损耗正切(tanδ)普遍低于0.1，导致微波吸收效率不足。在初始加热阶段，虽然生物质中的水分子可以提供较高的介电性能，但是水含量的提高对微波裂解的产物没有明显的优化[14] [15]。此外，木质素的含碳量明显高于纤维素和半纤维素，木质素会率先形成生物质炭，从而导致局部介电常数的迅速提升。局部热点的形成导致了整体反应温度的失控。这影响了生物质碳形成的均一性和稳定性，并直接影响了产物的稳定性。

由此可见，在直接微波裂解的情况下，生物质并不能得到很好的加热均匀度，因此需要通过均匀的添加微波吸收剂以达到预期的效果。如图1，生物质的介电性可以使部分微波进入了颗粒内部，介电损耗产生热量。同时，生物质周围的高介电性物质(微波吸收剂)吸收了更多的微波能量，其再将更多的热量传递到生物质颗粒的表面。在能量转换(生物质通过介电损耗吸收微波能量)和能量传递(微波吸收剂产生热量传递给生物质)的双重热量传导的方式下，生物质热解的效率大大提高，并且使其得到了更加均匀稳定的分解过程。能量传递的过程和传统的加热方式比较接近，传统加热方式是通过生物质自生将热量逐层传递，在顺序导热的过程中实现生物质热解。然而，这种传统的加热方式受限于其更长的热传递路径，使能量传导效率大打折扣。与此不同的是，微波吸收剂的短距离直接传导热量的方式，具有更高的加热效率。而微波吸收剂更为均匀的添加方式，使得生物质得到了更均匀稳定的热量供给，促进了整个系统的快速热解。总而言之，微波吸收剂是微波裂解技术中最为关键的添加剂之一。

Figure 1. Traditional pyrolysis and microwave pyrolysis with the addition of microwave absorbers

图1. 传统热解与添加吸波剂的微波裂解

3. 微波吸收剂的微波能量损耗机制

3.1. 微波穿透、反射与吸收的物理机制

微波是微波裂解技术的能量传递载体。微波的频率范围在300 MHz~300 GHz之间，波长在0.001 m到1 m之间。在电磁波频谱中，一部分频段被用于电话，雷达和卫星通信等，为避免不同频段之间的信号干扰，五个电磁波频段保留下来应用于工业和家用电器0.433，0.915，2.45，4.0和5.8 GHz [16]。其中最常用于微波裂解技术的电磁波频段是2.45 GHz。如图2，微波与物质具有三种相互作用方式：反射、吸收和穿透。因此，三种材料对应着三种不同的相互作用方式。微波反射材料可以反射大部分的微波，通过高导电性或磁导率特性将入射微波能量大部分反射，典型代表为金属材料(如铝、铜)及导电复合材料。其反射机制源于材料表面自由载流子与电磁波的相互作用，形成趋肤效应，导致能量无法深入材料内部。此类材料广泛应用于电磁屏蔽、雷达反射面及微波炉腔体等场景[17] [18]。微波吸收材料能够有效吸收入射微波能量并转化为热能或其他形式能量。其吸波机制在于通过介电损耗或磁损耗实现电磁能量的耗散，例如铁氧体、碳基材料等通过极化弛豫或磁滞效应吸收微波[19]-[23]。透微波材料允许微波穿透而几乎不发生能量衰减或反射，例如石英，氧化铝，氮化硼等陶瓷材料。这种材料的介电常数低，多用于信号通信窗口或加热装置的透波部件。但是部分材料在高温状态下会改变介电性质，从而转变其与微波的相互作用方式。

Figure 2. Penetration, reflection, and absorption of microwaves

图2. 微波的穿透、反射与吸收

3.2. 物质在微波下的热量转换机制

微波吸收材料的能量转换机制主要分为介电损耗和磁损耗，其核心是通过不同的物理机制实现电磁波能量转换成热能或其他形式能量耗散。

3.2.1. 介电损耗

介电损耗型材料通过介电加热实现微波能量的转化。在热解炉中，由磁控管发射微波传导到生物质和微波吸收剂中。在高频交变电场的作用下，材料中的束缚电荷产生滞后响应，导致了极化方向与电场不同步[24]-[26]。材料中偶极分子开始试图与电场方向对齐，不断变化的电场方向使偶极分子开始旋转，与周围的分子产生摩擦产生介电损耗。电荷的移动(极化)和偶极分子的弛豫现象使得能量从电磁场中转变为材料的热能或动能。

在电磁场作用下，材料中的异质部分因其组分间非均匀电导率与介电常数分布特性，会呈现特殊的介电响应行为。不同介电常数物质的接触界面处载流子迁移与束缚电荷重分布引发了的界面极化效应[27]。因此局部电场的畸变提高了能量损耗的效率，加速了热能转换。

材料中具有较强导电性的部分(如石墨，活性炭)在电磁场中可感应出定向电流。其微观机制源于电磁场对材料内电荷载流子(包括自由电子及离子)的洛伦兹力驱动作用，导致载流子产生受迫振荡并发生迁移运动[28]。在此过程中，具有动能的载流子与晶格原子或分子发生非弹性碰撞，将部分动能转化为晶格振动能，从而形成连续电流通路。此外，材料的本征电阻率直接决定电流传导过程中的焦耳热效应强度，该效应使部分电磁能通过载流子–晶格相互作用转化为热能，并以热扩散形式在材料内部进行能量耗散[29]。

3.2.2. 磁损耗

磁损耗型材料的能量损耗形式主要由磁滞损耗和涡流损耗组成[30] [31]。其中磁滞损耗是能量耗散的主要原因。微观上，磁性材料内部由分区聚集的规则排列原子集团形成的磁畴组成，不同集团结构之间的交界面形成了磁畴壁。磁畴壁的移动受阻由晶格缺陷，杂质原子和磁弹性能影响，它们导致了磁畴壁的移动滞后于磁场的变化。晶体材料中存在的位错、空位等固有缺陷在介观尺度形成非均匀能量势场分布。缺陷对畴壁的钉扎作用源于其破坏磁交换作用的连续性，导致畴壁能密度产生梯度变化，形成位移阻力矩[32]。同时，溶质原子(如碳、氮间隙原子)在晶格内形成置换式或间隙式固溶体时，产生局域晶格畸变场。这种长程弹性相互作用显著提高畴壁位移的激活能阈值，其作用范围可达纳米量级。此外，在磁弹性效应中，磁致伸缩导致畴壁运动伴随晶格周期性畸变，动态位移过程中，畴壁需协调磁化矢量旋转与晶格应变弛豫的时空调制关系，由此产生的相延迟效应导致能量以声子激发形式耗散[33]。在这些影响因素里钉扎效应是热能转换的主要来源。该过程能量损耗由Landau-Lifshitz-Gilbert方程描述，损耗功率密度为($P_h=f{\displaystyle \oint H\text{d}B}$ )其中f为磁场频率，积分路径为磁滞回线。由此可见能量损耗与磁滞回线的面积成呈相关，磁滞回线的面积越大能量损失越大[34]。

涡流损耗由交变磁场在导电材料中感生的闭合电流引起，其能量转化遵循麦克斯韦方程组及欧姆定律。当交变磁场作用于导电材料时，根据法拉第电磁感应定律(∇ × E = −∂B/∂t)，导体内部会形成闭合环路的感应电流(即涡流)。该电流密度分布遵循欧姆定律(J = σE)，其空间形态受导体几何结构与磁场梯度方向共同约束，形成旋涡状的电流路径。此时，电能通过导体的电阻效应转化为热能，能量耗散速率与材料电导率、磁通密度变化率及导体体积呈正相关。此外，高频条件下趋肤效应显著增强，导致涡流集中在导体表层。趋肤深度随频率上升而减小，导致焦耳能量耗散的非均匀性。

3.3. 微波辐射下影响热转换性能的关键因素

3.3.1. 介电常数和磁导率

复介电常数(ε_r = ε' − jε'')决定了介电型材料在微波加热中的能量转换效率。介电常数常用来描述吸波材料的电磁波能量损耗能力。其中复介电常数的实部ε′表示吸波材料对电场的响应能力，虚部ε''表示吸波材料耗散电磁波能量的能力。实部与虚部的比值是材料的介电损耗正切tanδε，它决定了材料的能量转换能力。在微波辐射下，损耗正切越高材料可以从交变电场中转换越多的热量[35]。因此，在微波加热中介电损耗正切是衡量被加热材料的热转换效率的重要指标。物质可以被分为低(tanδε < 0.1)，中(0.1 < tanδε < 0.5)，高(tanδε > 0.5)微波吸收材料。

复磁导率(μ_r = μ' − jμ'')也是衡量物质微波吸收能力的重要指标之一。其中复磁导率的实部μ′表示材料在交变磁场中储存磁能的能力，反映了材料的磁矩对外磁场的线性响应程度。虚部μ′′表示材料将交变磁场能量转化为热能的损耗效率，体现了材料的磁损耗机制。与介电损耗正切相似的，磁损耗正切是复磁导率的实部与虚部的比值tanδμ，其表示的是材料对磁场能量的转化能力。

3.3.2. 阻抗匹配

阻抗匹配(IM)的核心目标是使材料的特性阻抗Z与自由空间阻抗Z₀接近，从而最小化电磁波在材料表面的反射。即Z/Z₀的值趋向于1时，材料与自由空间达成了最优的阻抗系数。更多的电磁波可以通过材料与自由空间的接触面而不被界面反射，进一步材料通过介电损耗和磁损耗机制将尽可能多的微波能量转化为热能，以此达到最大限度的微波能量转换。

3.3.3. 微波的穿透深度

穿透深度是微波能量转换中的关键因素之一。穿透深度由材料的复介电常数，微波频率，和电导率共同影响，如公式(1)，其中λ₀是自由空间的微波波长。

$D_p=\frac{{\lambda }_0}{2\pi {\left(2{{ϵ}^{\prime }}_r\right)}^{1/2}}{\left\{{\left[1+{\left(\frac{{{ϵ}^{″}}_r}{{{ϵ}^{\prime }}_r}\right)}^2\right]}^{1/2}-1\right\}}^{-1/2}$ (1)

该公式表明，微波能量主要沉积于材料表层至D_p范围内，大约有63%能量在0 ≤ z ≤ D_p内耗散，而超过D_p区域的能量传输会显著下降[36]。而在实际应用中，由于材料的各向异性或是分层结构会对实际穿透效果产生影响。此外，微波的有效穿透深度对微波加热容器的设计与布局有关键性的影响。

3.3.4. 微波能量转换效率的表征

吸波剂的能量转换效率(即电磁能转化为热能的效能)主要通过两项关键参数进行量化评估：升温速率与反射损耗值(RL)。

升温速率(℃/min)表征单位时间内吸波剂物料的温升幅度。其物理意义在于：当电磁波入射时，吸波剂通过介电损耗、磁滞损耗或涡流损耗等机制将电磁能转化为热能，导致自身温度上升。升温速率越高，表明材料对电磁波的吸收能力越强，能量转换效率越显著。这一指标直接关联吸波剂的损耗机制有效性，是评价其动态热转化性能的核心依据。

反射损耗值(Reflection Loss, RL)通过电磁参数测试(如矢量网络分析仪)量化吸波剂对入射电磁波的衰减能力。其定义基于电磁波在材料表面的能量反射率，计算公式为：

$\text{RL}=20{\log }_{10}\left|\frac{Z_{in}-Z_0}{Z_{in}+Z_0}\right|$ (2)

其中Z_in为材料输入阻抗，Z₀为自由空间阻抗(约377 Ω)。当RL < −10 dB时，表示超过90%的入射电磁波能量被材料吸收或耗散；若RL < −20 dB，则吸收率提升至99%。该指标直接反映吸波剂在特定频段内的阻抗匹配特性与衰减能力，是设计宽频高效吸波材料的关键目标值[37]。

4. 用于微波裂解的吸波催化剂

微波裂解技术作为一种新型回收处理技术，凭借其高效性、选择性加热和能量利用率高等优势，在煤清洁转化、生物质能利用和有机污染物治理等领域展现出显著潜力。该技术通过将微波能直接转化为分子动能，使物料内部快速升温，克服了传统热解中传热效率低、能耗高、产物选择性差等问题。然而，多数原料(如低变质煤、生物质、有机污染物等)自身介电损耗能力弱，难以高效吸收微波能量，严重制约了热解效率的提升。为突破这一瓶颈，吸波剂的引入成为关键——它们通过介电损耗或磁损耗机制将微波能转化为热能，显著提升体系升温速率与能量转换效率。

然而，虽然添加了吸收剂的微波裂解具有升温速率快，热量传递均匀等优势，但是在没有催化性的情况下其热解的产物和传统常规加热的产物都存在质量低，经济效益差的劣势。因此，为了充分发挥微波裂解的优势具有催化产生优质产物功能的催化剂是微波裂解体系的关键组成部分之一。其中，催化剂分为本生具有一定吸波能力的吸波催化剂和不具备吸波能力催化剂。吸波催化剂这种本身具有吸波性能的催化剂省去了反应体系中独立分开放置的吸波剂和催化剂，减少了反应流程中的步骤，最大化了工业生产的经济效益。见表1，本综述重点探讨各种吸波催化剂的吸波性能和催化能力。

Table 1. Comparison of the performance of different microwave-absorbing catalysts

表1. 不同吸波催化剂的性能对比

吸波催化剂	性能表现	应用价值	原料	文献
Fe-Ni/MHC	升温速率：6.17℃/s 生物油收率：44.0%	高效启动热解， 生物油产量最大化	松木	[38]
Co-Ni/MHC	苯乙烯选择性：42.7% 催化合成气(H2/CO)活性高	高值化学品生产， 同步制氢	松木	[38]
活性炭(AC)	生物油产率↑ 200% 505℃时固体残渣HHV：30.3 MJ/kg 轻质芳烃选择性提高	提升油品质量及能量回收率	松木锯末	[39]
Fe/AC (1%)	气态产物产率峰值：37.09% 脱氧产物选择性↑ 75%	定向脱氧制酚， 副产氢气	棕榈仁壳	[40]
活性炭负载Fe (III)	合成气产率：81.14% H2/CO = 1.04 抑制CH4/CO2生成	高质量合成气生产， 氢碳比理想	毛竹	[41]
Zr/生物炭基催化剂	芳烃收率：74.13% 酚类收率：9.39% (↓)	竹塑共热解高效脱氧芳构化	竹子	[42]
SiC颗粒床	烃类燃料产率：64.74 wt% 组分：烷烃为主 密度/粘度 ≈ 0#柴油	油脂类原料直接制替代柴油	皂脚	[46]
B4C/SiC复合	生物油产率：38.50% (↑ 26.9%) 酮类选择性↑ 产物低碳化 焦炭碳化度↑	优化产物分布， 提升焦炭吸附价值	油菜籽壳	[47]
TiC/SiC复合	生物油产率：34.62% 产物分布更均衡	平衡油品组分， 适用广谱原料	油菜籽壳	[47]
泡沫SiC/ZSM-5	生物油质量显著提升 剂质比↑时产率↓	裂解蒸气异地改质， 品质升级	生物油	[48]
SiO2-ZSM-5	油馏分收率最高 焦炭收率最低 甲苯 + 二甲苯含量最高	最大化碳氢化合物产出， 抑制结焦	食用菌基质	[51]
HZSM-5/MCM-41	烃类含量：53.83% 羰基化合物：6.35% (↓)	孔径协同精准调控， 实现高烃低氧油品	油菜秸秆	[52]
MgO	平均升温速率↑ 53.92% 最高温度↑ 33.84%	快速启动裂解， 减少预处理能耗	厨余垃圾	[53]
MnO2	平均升温速率↑ 335.29%	验证缺陷工程价值	厨余垃圾	[53]
CaO	抑制升温速率 产氢反应催化活性高	定向制氢， 适用氢能需求场景	污泥	[54]
Fe2O3	提升升温速率 甲烷生成催化活性高	侧重甲烷生产， 适合燃气利用	污泥	[54]

4.1. 碳基催化剂

在生物质的直接热解处理中，碳基材料是微波辅助热解中最为常见的吸波剂和催化剂。碳材料本身具有的较高的介电常数，碳吸波剂吸收更多的微波能量加快热解反应的速率，热传转换效率的提升的同时其优秀的负载能力可以让其他材料以碳为基底合成复合催化剂，提升微波裂解的产物质量。

采用离子水热法结合微波高温活化技术成功制备了系列双金属水热焦催化剂(Co-Ni/MHC, Fe-Co/MHC, Fe-Ni/MHC)。在催化剂的制备过程中，不同类型金属间的协同作用有效促进了如碳纳米管和碳微球等有序碳结构的形成。这些双金属催化剂兼具微波吸收剂和松木微波裂解催化剂的双重功能，展现出显著优势。其中，Fe-Ni/MHC表现出卓越的微波吸收性能，能够促使松木(PW)以6.17℃/s的速率快速升温，进而在微波辅助催化热解过程中实现了高达44.0%的生物油收率。而当使用Co-Ni/MHC作为催化剂时，则能生成苯乙烯含量高达42.7%的生物油，并且该催化剂对一氧化碳(CO)和氢气(H₂)的生成展现出良好的催化活性[38]。

在碳基材料中活性炭因其具有高比表面积和吸附能力在微波裂解的应用中也是较为广泛。孔隙效应带来的微孔(<2 nm)和介孔(2~50 nm)形成大量界面，引发界面极化弛豫；孔道内多次反射延长电磁波传播路径，增强能量耗散。活性炭有丰富的导电网络，sp²碳骨架促进自由电子迁移，通过电导损耗将电磁能转化为焦耳热。其中的表面官能团如含氧基团(-COOH、-OH)可以增强极性分子吸附，提高偶极极化效率。在这些因素的影响下更多的热量被活性炭有效的转化，使微波裂解的生物质原料得到了更加均匀的升温。

以松木锯末为原料，在添加活性炭(AC)的条件下开展微波裂解实验。实验设定20分钟反应时间、10 wt%活性炭添加量及100~800 W梯度微波功率。结果表明：活性炭通过降低固体残炭率，使生物油产率提升2倍；800 W功率下体系峰值温度达505℃，对应固体残渣高位发热量(HHV)提升至30.3 MJ/kg，较同功率无AC对照组提高33%；AC在生物油重质组分裂解中展现出潜在催化效应，表现为轻质芳烃选择性提高[39]。

活性炭与金属组分构筑的复合催化剂可显著提升微波催化产物的品质。以载铁活性炭(Fe/AC)为催化剂，在500℃条件下对棕榈仁壳(PKS)挥发分进行微波原位催化重整研究，系统考察了催化剂组成对二次气相反应及产物分布的作用规律。结果表明：Fe/AC催化剂显著提升轻质气体产率，其中1% Fe/AC催化体系的气态产物产率峰值达37.09%；铁活性位点选择性促进脱氧反应，使脱氧产物选择性提升逾75% (苯酚质量分数75.09%，氢气质量分数75.12%)；以丁香酚、愈创木酚为模型化合物的裂解实验证实，Fe/AC催化剂通过铁活性中心的亲氧特性驱动脱甲氧基/脱氧路径，实现苯酚定向生成[40]。

采用活性炭负载Fe (III)催化剂对毛竹进行微波辅助热解实验，探究了催化剂对热解过程的影响。研究结果表明：该催化剂显著提升了体系的微波吸收能力，并加速了最高升温速率。同时，催化剂对合成气生成具有显著促进作用，其最高产率达81.14%，H₂/CO比为1.04，并且能够同时抑制CH₄和CO₂的产生。活性炭载体上Fe (III)离子的负载量对竹材热解行为具有关键调控作用。此外，催化剂的引入有效提升了反应体系的热效率[41]。

此外，利用碳基金属催化剂配合共热解的热解方式可以进一步优化产油率并拓宽了同时微波裂解的对象。利用生物炭、分子筛(ZSM-5)和活性金属(Zn、Zr)按一定比例混合，制备生物炭基催化剂(BBC)，将富氧生物质(bamboo)与富氢塑料废料(PE)共热解，以研究热解油和合成气的产量和质量[42]。生物炭基催化剂促进了脱氧和芳基化反应，加剧了芳烃的生成并减少了含氧化合物(酚类等)。竹子:PE = 1:3由Zr改性生物炭基催化剂催化，芳烃收率高达74.13%，而酚类收率仅为9.39%。外部H供体PE的掺入促进了碳链的生长，微波场激活了自由基，促进了碳的环化和芳基化。作者解释了竹子和PE的共热解机制如下。竹子和聚乙烯(PE)共热解主要经历两个热降解阶段：200℃~300℃下生物质(如竹子)挥发分析出；300℃~500℃下两者发生共热解。生物质挥发分中的活性因子能加速PE热裂解和小分子烃逸出。但熔融PE易包裹生物质颗粒，阻碍传热传质和生物质挥发物释放。碳基催化剂(其规则孔结构和金属改性增加了活性位点)的加入提升了选择性催化能力，促进了脱氧和碳链断裂反应，从而提高了高价值单环芳烃产率[43]-[45]。由此可见，碳基材料对生物质微波裂解具有天然的优势，在碳上负载了其他催化剂后，其活性点位诱导的化学反应可以进一步优化生物质分解的过程，得到更优质的产物。

碳基材料在生物质微波辅助热解中展现出多重核心功能。高效的微波吸收能力、可控的催化活性及优异的载体特性。双金属水热焦催化剂通过金属协同效应促进有序碳结构的形成，显著提升体系升温速率与生物油产率，同时优化产物组分选择性。活性炭则依托其多级孔结构与表面官能团，增强界面极化弛豫与电导损耗，实现生物质均匀热解；其复合金属催化剂Fe/AC通过铁活性位点的亲氧特性驱动定向脱氧路径，使脱氧产物和气态产物选择性提升。进一步地，碳基复合催化剂生物炭负载Zn/Zr与共热解策略(生物质–塑料)，碳载体通过金属改性的活性位点促进脱氧/芳构化反应，协同微波场激活自由基反应，显著抑制含氧化合物生成。这印证了碳基材料作为“吸波–催化双功能平台”的核心优势：既通过介电损耗高效转化微波能，又以负载的活性位点调控热解路径，实现产物品质的协同优化。

4.2. 陶瓷基催化剂

在陶瓷基材料中，碳化硅因其优异的高温热稳定性和良好的介电性能，已成为微波裂解领域常见的吸波剂。其结构可设计性也使其在高温热解应用中备受青睐。碳化硅的吸波机制主要涉及介电损耗，具体表现为以下三方面：1) 晶格振动极化，即微波场中Si-C键的离子位移极化；2) 缺陷极化，源于晶格空位、位错等引起的电荷重排；3) 自由碳相损耗，即由前驱体衍生的乱层碳形成导电路径所导致的电子传导损耗。

除其突出的吸波性能外，碳化硅在微波裂解过程中还表现出一定的催化能力。例如，采用微波辅助热解技术对皂脚原料进行热解，对比了使用与不使用微波吸收剂对制备碳氢燃料的影响。研究中选用碳化硅颗粒作为微波吸收床，系统考察了热解温度与进料速率对烃类产物产率及组成的影响规律。结果表明，皂脚微波辅助热解的最佳条件为：采用微波吸收床(碳化硅)、热解温度550℃、进料速率6 g/min。在此优化条件下，烃类燃料的产率可达64.74 wt%，其组分以烷烃为主，烯烃含量较低。相较于生物柴油，该热解燃料的热值更高，但仍低于0#柴油；其密度与运动粘度则与0#柴油相近[46]。

以碳化硅为基底的催化剂可以更有效地优化催化性能。深入地研究了复合吸波剂B₄C/SiC、TiC/SiC和WC/SiC对生物油产率及其组成的具体影响；实验结果显示，微波功率与其他因素的交互作用尤为显著；在微波功率设定为8 W、SiC质量为0.49 g以及间歇时间为28 s的条件下，每克油菜籽壳的产油率可达30.33%，这一数值与预测值30.38%极为接近。复合吸波剂的引入显著提升了产率，分别增至38.50%、34.62%和32.39%。其中，B₄C的加入有效提高了酮类的选择性，而TiC的添加则使产物分布更为均衡。此外，B₄C的加入导致产物碳数明显向低碳方向偏移，并显著提升了焦炭的碳化程度及其吸附性能[47]。

已有报道了研制了一种新型的泡沫碳化硅载体ZSM-5复合催化剂，并用于裂解蒸气的异地催化改质。对不同配置的催化剂放置进行了比较，结果表明，复合催化剂在不明显降低产率的情况下，能显著提高生物油的质量。研究了剂质比对产品收率和生物油组成的影响，结果表明，增加剂质比可以提高生物油的质量，但以牺牲生物油的产率为代价[48]。

碳化硅(SiC)在生物质微波热解中展现出高温稳定与介电–催化双功能的独特性。其吸波机制以多尺度极化损耗为核心，涵盖晶格振动、缺陷极化及自由碳相传导损耗，实现了宽温域高效微波能转化。作为吸波剂时，SiC颗粒床在550℃下将烃类燃料产率大幅提升，产物烷烃主导、物性接近柴油；作为催化基底时，复合碳化物B₄C/SiC、TiC/SiC通过组分协同效应进一步优化反应路径，B₄C/SiC使产油率达38.50%并显著提升酮类选择性，同时诱导产物碳数向低碳偏移，强化焦炭碳化度。结构化设计大幅拓展其应用维度。泡沫SiC负载ZSM-5构成的复合催化剂在异地催化改质中实现产物品质升级与产率平衡，印证多孔陶瓷载体在传质–催化协同中的结构优势。

4.3. 沸石

作为一种重要的结晶材料，沸石由共享顶点的TO₄ (T指Si和Al)四面体构成骨架，具有丰富的孔隙结构、可调控的酸度(包括浓度和强度)以及卓越的热稳定性和水热稳定性。这些特性使其广泛应用于催化、分离、离子交换、气体存储和传感等领域。沸石具有极高的比表面积，对水分子和极性分子，非极性分子都有极强的吸附能力。沸石本身的介电性能并不出众，但是其孔洞中的沸石水是其介电性能的主要来源[49] [50]。在微波裂解初期，水分子的高介电常数快速转化微波能量，使沸石迅速升温。沸石表面吸附的羟基也为沸石的带来了较高的介电性能，加速了热量的产生。水分子蒸发后，沸石内部复杂密集的孔洞为离子跃迁提供了有利条件，此时的微波热能转换主要来源于电导损耗。同时，沸石表面丰富的酸性点位，为催化热解反应提供了有利条件。常见的沸石催化剂有ZSM-5和MCM-41等。

ZSM-5在改性后表现出更好的催化性能。采用预焦处理、SiO₂化学气相沉积(CVD)及乙二胺四乙酸(EDTA)化学改性法对ZSM-5分子筛催化剂进行改性，以降低其在微波辅助催化快速热解食用菌基质过程中的焦炭产量并提升碳氢化合物产率，相应改性催化剂标记为PC-ZSM-5、SiO₂-ZSM-5和EDTA-ZSM-5。实验结果表明，在三种改性催化剂中，SiO₂-ZSM-5表现出最高的油馏分收率与最低的焦炭收率。油馏分中碳氢化合物的相对含量呈现如下递增趋势：SiO₂-ZSM-5 > EDTA-ZSM-5 > PC-ZSM-5 > 原始ZSM-5。此外，SiO₂-ZSM-5催化所得产物中甲苯与二甲苯的相对含量最高，而原始ZSM-5对应的该值最低。关于芳烃组分的选择性，苯的选择性顺序为：原始ZSM-5 > EDTA-ZSM-5 > PC-ZSM-5 > SiO₂-ZSM-5；而甲苯与二甲苯的选择性之和则呈现相反的分布趋势[51]。

ZSM-5和MCM-41混合使用可以提升生物油产品的质量。通过将HZSM-5与MCM-41两种不同孔径的分子筛复合为混合催化剂，应用于油菜秸秆催化热解体系，系统探究了二者混合比例对生物油品质的影响机制。结合产物分布、理化性质及组分分析结果，并辅以(BET)比表面积表征，研究发现：液相产率及有机相占比呈现先降低后升高的趋势，而气相产率则发生反向变化。生物油有机相的物化特性表现出规律性演变——密度、O/C比与运动粘度参数呈先下降后上升态势，而H/C比、pH值及高位发热量(HHV)则以先上升后下降为特征。该有机相富含羧酸、醛、酮、烃类、醇、醚、酯等化合物，其中烃类与羰基化合物含量随MCM-41占比变化呈现显著阈值效应：当MCM-41含量从0%增至50%时，烃含量从初始水平持续提升至53.83%，羰基化合物则同步下降至6.35%；反之当MCM-41占比自50%升至100%时，烃含量转为下降趋势而羰基化合物含量逐步回升。催化剂活性分析进一步表明，混合体系催化效能随MCM-41比例增加而增强(≤50%)，但当其比例超过50%后则趋于稳定状态[52]。

沸石凭借其独特晶体骨架、可调酸性质与多级孔结构，在生物质微波热解中形成“吸附–介电–催化”三位一体功能体系。初期依托沸石水的高介电损耗实现微波能快速转化；脱水后通过孔道内离子迁移电导维持热效率；表面酸性位则直接催化裂解/脱氧反应。分子筛改性可显著突破性能瓶颈，SiO₂化学沉积改性ZSM-5在食用菌热解中实现最低焦炭产率与最高碳氢化合物选择性；HZSM-5/MCM-41复配催化剂则通过孔径互补(微孔–介孔协同)，在油菜秸秆体系中提高烃类含量，同时降低羰基化合物产量。

4.4. 金属氧化物

金属氧化物因其优秀的活性，选择性和稳定性常用于微波裂解的催化。其用作吸波剂主要取决于金属氧化物的介电常数，而介电常数受到金属氧化物晶体结构和形态的影响。晶体的缺陷会对微波中的电磁场产生响应，从而提升了它们的介电性能。不同金属氧化物之间的结构性质差异较大，吸波能力也各不相同，例如，存在结构缺陷的氧化镁和二氧化锰材料具有较强的微波吸收能力。与直接对厨余垃圾进行微波裂解相比，添加这些材料使平均加热速率分别提升了53.92%和335.29%，最高温度也分别提高了33.84%和。而弱微波介质(如氧化钙、氧化铜和三氧化二铁)作为催化剂，其微波裂解的加热速率和最高温度都表现较差[53]。部分电磁响应能力较弱的催化剂需要在反应体系中额外加入吸波剂。

虽然CaO的吸波能力较差，但是其具有优秀的催化能力。选取氧化钙(CaO)和氧化铁(Fe₂O₃)作为热解催化剂，以某污水处理厂的剩余污泥为实验原料，深入研究了不同热解温度条件下这两种催化剂对微波裂解污泥产物分布规律的影响。实验结果表明，CaO在加热过程中对升温速率表现出一定的抑制作用，同时其对产氢的有机物裂解反应具有显著的促进作用；相较之下，Fe₂O₃则能有效提升升温速率，且其在产甲烷的有机物裂解反应方面的催化效果优于CaO [54]。

金属氧化物在微波辅助热解中展现出催化–吸波双功能特性，其性能差异主要由晶体结构、缺陷浓度及介电响应能力决定。各种研究表明，高介电损耗型氧化物(缺陷态MgO、MnO₂等)可显著提升体系加热效率(升温速率最高提升335.29%)，而弱吸波但强催化型氧化物(CaO、Fe₂O₃)则通过选择性催化路径调控产物分布，CaO优先促进产氢反应，Fe₂O₃则更利于甲烷生成。这种“介电–催化解耦”现象为催化剂设计提供了重要指导，通过构建缺陷工程(如氧空位、晶格畸变)可协同优化微波吸收与催化活性。

5. 吸波和催化的耦合作用机制

微波裂解技术的核心优势不仅在于高效的“体热效应”，更在于吸波剂与催化剂功能的协同耦合。这种耦合机制深刻影响着裂解路径与产物分布，其核心在于“热点效应”的物理化学本质和“非热效应”的潜在作用。

5.1. 热点效应的物理化学本质

微波场下，吸波催化剂因其优异的介电损耗或磁损耗能力，能够高效地将微波能转化为热能。然而，这种能量转化在微观尺度上并非完全均匀。吸波催化剂颗粒本身、其与生物质颗粒的接触界面、以及催化剂颗粒内部存在的介电常数或磁导率差异区域(如晶界、缺陷、异质结)，都会导致电磁场的局部畸变与能量密度的异常集中，形成远高于体系平均温度的局部超高温区域，即“热点”[37] [46] [47]。

在物理层面上，热点的产生源于电磁场与物质相互作用的非线性效应。在吸波催化剂表面或界面处，由于阻抗突变，电磁波可能发生强烈反射和驻波形成，导致局部场强倍增。同时，吸波材料内部的导电网络(如碳材料中的sp²碳骨架)、缺陷(如金属氧化物中的氧空位)或磁性组分的磁畴壁钉扎点，会成为优先的能量耗散中心，产生焦耳热或磁滞热集中区。微波穿透深度的限制也意味着能量主要沉积在表层区域，加剧了温度梯度的形成。

在化学层面上，热点区域为催化反应提供了极其特殊的微环境。首先，高温极大地促进了反应物分子的活化与化学键断裂，显著降低反应活化能垒。其次，高温梯度诱导强烈的热泳效应和微区对流，加速反应物向催化剂活性位点的传质过程。更重要的是，热点可激活特定的催化路径：例如，在碳基或SiC基催化剂表面，热点可驱动深度脱氧、脱羧反应，促进芳构化(如5.1节Fe/AC催化剂促进苯酚生成)；在金属氧化物(如Fe₂O₃，CaO)表面，热点可能促进水煤气变换、甲烷化或烃类裂解等二次反应(如5.4节CaO促进产氢，Fe₂O₃促进产甲烷) [38] [40] [54]。热点区域的瞬时高温和快速淬灭特性(随微波场开关)也可能抑制某些副反应，优化产物选择性。

5.2. 微波“非热效应”的研究进展与争议

除热效应外，微波场是否对化学反应存在直接的“非热效应”(Non-thermal Effect)一直是学术界争论的焦点。所谓非热效应，是指微波电磁场本身(而非其转化成的热能)通过特定机制影响分子能态、过渡态或反应路径，从而改变反应速率或选择性的现象。

部分研究推测微波场可能通过以下途径产生非热效应：1) 分子极化与取向效应：高频交变电场(2.45 GHz)迫使极性分子或反应中间体持续改变取向。这种强制振荡可能降低特定化学键断裂的活化能，或使分子以利于反应发生的特定构象排列，从而加速反应或改变产物分布。2) 改变反应势垒：理论计算表明，强电磁场可能通过影响电子分布和电荷转移，直接改变反应的势能面，降低特定路径(如脱氧、芳构化)的活化能。3) 影响催化剂表面态：微波场可能影响催化剂活性位点的电子状态或吸附/脱附行为，优化其催化性能。例如，有研究认为微波场能增强金属催化剂表面H原子的溢流效应或促进积碳的消解[37] [48]。

然而，非热效应的存在性及贡献度仍存在巨大争议。热效应难以完全剥离，微波场的存在必然伴随温度升高。精确测量和控制在微波场下催化剂表面或反应微区的真实温度极其困难，导致难以将观测到的效应明确归因于非热机制。而且，目前多数支持非热效应的实验证据是间接的(如相同表观温度下微波加热与传统加热产物选择性不同)，且难以在不同体系间复现或得到统一解释。严格的对照实验设计非常复杂。此外，提出的非热效应物理化学机制大多停留在理论推测阶段，缺乏坚实的分子层面实验验证。因此，目前学术界的主流观点认为，在微波裂解这类高温热化学过程中，热效应(尤其是热点效应)是主导因素，非热效应即使存在，其贡献也相对较小且难以量化，需更深入的基础研究来阐明[5] [16]。

6. 用于微波裂解的工艺和设备

6.1. 微波裂解的工艺类型

微波裂解的工艺类型主要有原位催化热解，非原位催化热解和共热解协同工艺。

原位催化热解将催化剂与原料直接混合置于微波场中，实现热解与催化的同步进行。这种一体化设计使热解蒸气在产生瞬间即与催化剂酸性位点接触，有效促进脱氧、脱羧、芳构化等提质反应。常用的催化剂包括金属氧化物(CaO、MgO、NiO)、分子筛(HZSM-5、HY)及改性炭基催化剂等。研究表明，采用Ce掺杂γ-Al₂O₃/ZrO₂复合介孔催化剂(CAZ)时，生物油中烃类比例较传统γ-Al₂O₃催化剂提高两倍，且循环使用5次后活性保持稳定[55]。金属改性催化剂如Ni-Fe/马尾藻炭基催化剂(SC@xNi-Fe)通过协同效应，在600℃下实现90.07%的焦油转化效率，其发达的介孔结构(比表面积达197.25 m²/g)为焦油大分子提供了充足的反应界面[56]。

尽管原位催化具有反应效率高的优势，但其面临两大技术瓶颈：一是催化剂回收困难，尤其在处理高灰分生物质时，催化剂与生物炭的分离需要复杂后处理；二是积碳失活问题突出，金属活性位点被无定形碳包裹导致效率急剧下降。研究显示，Ni_0.1/OXAWSL催化剂使用18小时后，因积碳导致比表面积从309 m²/g降至不足100 m²/g。

非原位催化热解通过独立设置催化剂床层，将热解区与催化区分离。典型设计采用下吸式反应器，热解蒸气经微波吸收剂(如碳化硅)高温床层初步裂解后，进入下游催化剂床深度脱氧。这种分级处理方式显著减少了催化剂用量(较原位催化减少40%~60%)，且便于催化剂再生。设计的下吸式反应器在400℃催化温度下，使皂脚热解蒸气在HZSM-5催化剂床层停留时间延长，生物油中芳烃含量达86.7%，HZSM-5循环使用5次后芳烃选择性仍保持80%以上[57].

共热解技术通过氢互补效应解决了单一生物质原料有效氢碳比不足的问题。木质纤维素类生物质(秸秆、木屑等)的氢碳比仅为0.1~0.3，属典型缺氢原料，单独热解产物含氧量高、品质差。而废弃油脂(氢碳比 ≈ 1.5)、废塑料等富氢材料可作为优质氢供体，在共热解中释放游离氢自由基，显著改善产物分布。

在生物质–油脂共热解体系中，油脂分解产生的自由基与生物质含氧中间体结合，促进脱氧反应。研究显示，当秸秆与皂脚质量比优化至1:2时，生物油含氧量从28.6%降至12.3%，脂肪烃和芳烃比例提高近一倍，其中D-柠檬烯等萜烯类化合物选择性显著提升。这种协同效应源于皂脚中碱金属离子降低了αC-C键解离能，使羧基端在微波场中更易极化断裂[58]；生物质–塑料共热解则通过Diels-Alder反应实现协同增效。塑料热解产生的烯烃与生物质衍生的呋喃类化合物发生环加成反应，直接合成芳烃。研究已经发现，低密度聚乙烯(LDPE)与微波烘焙木质素共热解时，LDPE添加使芳烃含量从1.94%跃升至22.83%，同时反应活化能从97.87 kJ/mol降至63.86 kJ/mol [59]。值得注意的是，含氯塑料(如PVC)共热解会产生氯化烃等有害物质，需预先脱氯处理[60]；生物质–废轮胎共热解在优化条件下可同时实现高油品收率与能量回收。采用响应曲面法优化油棕榈空果串与废轮胎共热解参数，在505℃、空果串比例65%时，生物油产率达40%，能量回收率59%，产物中烯烃(特别是D-柠檬烯)占比提高，而多环芳烃减少。共热解油热值达42.29 MJ/kg，接近柴油(45.6 MJ/kg)，但硫含量较高(0.8%~1.2%)，需进一步脱硫提质[61]。

6.2. 微波裂解的主要设备

在微波裂解的工艺流程中主要有以下几个关键的设备：微波裂解炉集中催化分解生物质；物料传输系统主要负责均匀传输物料；产物处理系统优化产物品质。

微波裂解反应器的设计需兼顾电磁场分布优化、高温耐受性及产物定向收集功能，目前主流反应器类型各具特色：固定床反应器的结构简单、密封性好，特别适合高压实验。微波固定床在纤维素催化热解中表现出色，促进CO、H₂及苯系物生成，气体产物中H₂/CO比达2.5，优于常规电加热的1.8 [62]。但该类型处理量小(<1 kg/h)，且物料静态堆积易导致热不均匀；流化床反应器通过惰性颗粒(石英砂)流态化改善传热传质。微波流化床创新性地将微波腔与气动输送结合，在无吸波剂条件下实现生物质均匀热解，流化速度0.2~0.5 m/s配合1.5~2 kW微波功率，能量效率提升40% [63]。挑战在于微波穿透气泡幕时产生多重反射，需特殊波导设计；下吸式反应器采用气固逆流设计延长热解蒸气停留时间。连续螺旋进料系统结合底部碳化硅高温床层(700℃)，使纺织品污泥与红木共热解产物中多环芳烃含量降至1.5%以下，生物炭吸附性能提升至商业活性炭的85% [64]。

物料传输系统通过螺旋输送机、气动双螺旋或振动给料器等装置，确保生物质原料均匀、连续地进入反应器，同时结合缓冲仓双阀设计及氮气吹扫技术，将含氧量控制在安全阈值以下，防止热解过程燃爆并保障进料稳定性；产物处理系统则通过急冷单元(如喷雾冷凝器在<2秒内将气相产物从200℃骤冷)、多级气固分离装置(旋风分离器，湿法电捕焦油器等)及在线催化重整模块(如HZSM-5催化剂脱氧)，高效分离并提质生物油、合成气及生物炭，其中催化重整可使生物油酸值降低、热值提升，合成气浓度增加。包括微波裂解反应器这三类设备的集成设计与协同控制，才能实现微波裂解的高效、安全运行及产物的高值化利用。

7. 结论与展望

本文系统综述了微波吸收剂在生物质微波裂解技术中的核心作用、能量损耗机制及研究应用进展；主要从微波裂解的优势与瓶颈、吸波剂的关键作用与机制、吸波催化剂的分类与性能、工艺与设备四个方面进行分析与讨论；微波裂解技术已经得到了长足的发展，但是目前大部分研究依然聚焦于实验室，工业化的应用依然有较远的发展道路。就目前的难题进行以下的展望：

1) 设计与开发多功能化吸波催化剂：未来研究的核心方向是创制兼具高效吸波、高催化活性/选择性、优异抗积碳/抗烧结稳定性及良好循环再生性能的先进材料。重点是微观结构的精准调控，提升微波热转化效率。深度耦合吸波与催化机制，寻找绿色低成本的制备方法。

2) 优化工艺流程：根据原料特性(组分、含水率、灰分)和目标产物需求，建立模型指导原位催化、非原位催化或共热解工艺的选择及其参数(催化剂类型/用量、吸波剂比例、温度、功率、停留时间)优化；深入研究不同生物质与各种富氢废弃物(废塑料、废油脂、废轮胎等)共热解的协同机制，重点解决含氯/含硫原料共处理带来的污染问题；加强系统能量流分析与集成优化，开发耦合微波裂解与其他单元(如气化、燃烧发电、精馏)的工艺。利用计算流体力学和多物理场耦合模拟(电磁场、温度场、流场、反应场)指导反应器放大设计和过程优化。

3) 大型化、连续化、智能化装备开发：解决微波在大型反应腔内分布均匀性、大功率微波源效率与稳定性、连续进/出料系统的密封与防结焦、高温(>600℃)长寿命材料等工程挑战；集成在线监测与智能反馈控制，实现过程的精准调控、安全运行及产物品质的稳定可控；开发与微波裂解反应器无缝衔接的高效冷凝、深度净化(除尘、脱焦油)及在线催化重整系统，直接获得高品质燃料或化学品。

综上所述，微波裂解技术，特别是高效吸波催化剂的应用，为生物质资源的高值化转化提供了极具前景的路径。未来研究需在材料创制、工艺优化、装备开发等多层面协同创新，推动该技术从实验室走向规模化、商业化应用，为可持续能源发展和“双碳”目标实现做出实质性贡献。

NOTES

^*通讯作者。