原子级微波天线产生热量，助力环保催化反应

为了应对气候变化和减少碳排放，化学工业正致力于利用太阳能、风能等可再生能源进行绿色转型。其中，微波驱动的催化反应作为一种高效电能转化技术受到广泛关注。与传统加热方式不同，微波可以将热能精准地传递到特定材料或催化活性位点上，从而在更低的整体温度下实现高效的化学反应。这种“热点”效应不仅能提高能量利用效率，还可能改变反应的选择性。

本研究聚焦于如何设计高效的微波催化剂，特别是利用单个金属离子作为“微波天线”，在原子尺度上实现热能的集中。研究人员系统筛选了20种阳离子、5种沸石结构以及不同离子负载量，发现单价金属离子（如In⁺）比多价离子更能有效吸收微波并产生局部高温。其关键在于这些离子与沸石骨架结合较弱，更容易在微波作用下振动，从而转化为热能。

实验中，研究人员采用一种名为“还原固态离子交换”（RSSIE）的方法，将氧化铟均匀分散在多种沸石（如CHA、MFI、FAU等）孔道内，并还原为单价In⁺离子。通过X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收谱（XAS）等多种表征手段确认了In⁺的存在及其高度分散状态。结果表明，含有In⁺的沸石在微波照射下升温迅速，尤其是在达到一定温度阈值后出现“热失控”现象，说明微波加热机制发生了转变。

进一步研究表明，沸石的孔道结构对微波加热性能有重要影响。小孔沸石（如FER）由于空间限制，In⁺与骨架碰撞频繁，导致热量快速扩散至整个材料，适合提升整体反应的能量效率；而大孔沸石（如FAU）则允许In⁺自由移动，热能更集中在金属离子周围，形成显著的局部温差，有利于提高反应选择性并抑制气相副反应。

为了验证这一机制，研究团队还进行了原位高能X射线散射（HEXTS）实验。结果显示，在微波加热条件下，In–O键的信号明显减弱，直接证明了In⁺发生了选择性热振动，即微波能量被精准地传递给了活性金属离子。

在实际催化应用中，研究人员测试了In⁺-沸石在逆水煤气变换反应（CO₂ + H₂ → CO + H₂O）中的表现。该反应是二氧化碳资源化利用的重要途径之一。实验发现，使用微波加热时，反应速率显著高于传统加热方式，且能量转换效率提高了4.5倍。即使考虑到微波系统的热损失，其优势依然明显。这表明，通过将热能精准输送到催化活性位点，可以大幅降低能耗，提升反应效率。

综上所述，这项研究首次建立了基于沸石结构调控的微波催化剂设计原则，提出了“单原子天线”概念。它不仅揭示了微波与催化剂相互作用的微观机制，也为下一代电磁能驱动的催化反应器开发提供了理论基础和技术路径。未来，通过优化材料结构和微波参数，有望实现更多高耗能化工过程的节能降耗，推动绿色化学的发展。