汽車催化劑研究進展

孫一凡

摘 要：汽車是現(xiàn)代生活必不可少的交通工具之一，但與此同時汽車尾氣的排放也造成了非常嚴重的空氣污染，使用良好的汽車尾氣催化劑是解決污染的有效途徑。本文將從催化劑載體、活性涂層和活性組分三個方面去介紹催化劑，從各個組成的原理、成分、優(yōu)缺點等角度對每一種催化劑進行了系統(tǒng)的討論，展望了催化劑應(yīng)用的前景，著重的預(yù)測了未來催化劑的發(fā)展趨勢，使得人們對于催化劑能有更好的了解。

關(guān)鍵詞：催化劑；活性組分；載體；涂層

中圖分類號：TQ426 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0228-02

1 背景概述

汽車作為現(xiàn)代社會最重要的交通工具之一，它的普及為人們的出行帶來了極大的便利，但與此同時，也造成了非常嚴重的空氣污染。以北京為例，大氣污染中汽車尾氣排放的氮氧化合物（NOx）、一氧化碳和碳氫化合物（CnHm）分別占據(jù)了64%、92%、51%， 由此可見，對于汽車尾氣的治理刻不容緩。

汽車尾氣所排放的三種主要污染物的危害主要有：氮氧化合物（NOx）是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)，并會對臭氧層產(chǎn)生一定的破壞。

一氧化碳極易與血紅蛋白結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白，是血紅蛋白喪失攜帶氧的能力和作用，引起窒息。

碳氫化合物（HC）中一部分有一定的致癌性，在濃度高時容易誘發(fā)人體的畸變和癌變，還有些在陽光照射下會轉(zhuǎn)化成次生污染物并產(chǎn)生有害的光化學(xué)煙霧，對于人體的許多器官有著刺激作用。同時像甲烷等物質(zhì)也會造成大氣的溫室效應(yīng)。

由于以上汽車尾氣排放對于環(huán)境的諸多危害，政府以及各類機構(gòu)也都已經(jīng)開始進行對于尾氣的處理凈化研究。對于尾氣的處理，可以由三個方面去研究。第一是去改變?nèi)加偷男再|(zhì)，增加或減少其中某些元素的含量，并使其能夠更加充分地燃燒，從而達到減少污染的效果；第二是在尾氣排出時對尾氣進行催化凈化處理，將其中的有害污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)然后再排放到空氣之中；第三是改變發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，使某些氣體能更充分的燃燒從而變成無害的氣體。從技術(shù)以及成本角度看，現(xiàn)如今第二種方法更為市場所接受，對于尾氣的催化凈化處理主要依靠在尾氣排放口安放催化劑的方法進行，因此催化劑的研究發(fā)展對于大氣污染的治理有著非常顯著的效果。本文將從催化劑載體，催化劑活性涂層，催化劑活性組分的選擇三個方面去進行論述，并在最后對于催化劑的發(fā)展前景有所展望。

2 催化劑組成成分的發(fā)展及反應(yīng)機理

2.1 催化劑活性組分

活性組分是整個催化劑的核心。原理是依靠催化劑與污染物的配位反應(yīng)進行吸附，進而對污染物進行集中、高效的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)排出。

催化劑根據(jù)反應(yīng)的類別可以大致分為兩類：

第一種氧化催化劑是比較早期的類型，它只能催化CO和HC兩種物質(zhì)，無法對NOx起到催化作用，逐漸被淘汰。第二種三效催化劑可以同時催化三種物質(zhì)，是現(xiàn)在研究的重點。

2.1.1 氧化型催化劑

由于各國剛開始的法規(guī)只對于CO和HC的排放有所限制，所以開始的催化劑都是向著減少這兩種物質(zhì)的排放為目標的，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的要求。當(dāng)時活性組分大多是選擇銅鈷鎳等較為普遍的金屬進行催化，其中也可以將集中物質(zhì)混合，形成Cu-Ni等復(fù)合型的催化劑，以達到更好的催化效果。由于這些金屬儲量豐富，成本低廉，受到了市場以及科研工作者的青睞。但由于其工作窗口小，高溫下穩(wěn)定性差，低溫又容易發(fā)生中毒現(xiàn)象使其催化能力減弱，無法進行進一步的推廣。

后來人們開始使用Pt和Pd為主要成分的貴金屬催化劑，Pt-Pd催化劑可以避免大多數(shù)銅鈷鎳為主要物質(zhì)的催化劑的問題，并且有著較高的催化活性，能夠?qū)O和HC幾乎全部轉(zhuǎn)化完全，但無法催化NOx也是這種催化劑的缺陷。

2.1.2 三效催化劑

為了同時催化CO、HC、NOx三種物質(zhì)，人們向催化劑中添加了對于NOx有著良好催化作用的Rh，從而做成了Pt-Pd-Rh為主要活性組分的三效催化劑。這種催化劑有著良好的機械強度、熱穩(wěn)定性以及催化活性，但與此同時，它也有著許多缺點，例如工作空間狹窄，只能在特定空燃比下才能進行高效的催化；高溫下容易發(fā)生結(jié)塊，影響催化劑的催化效果；容易受到P、Pb等影響發(fā)生催化劑中毒；由于儲量較少，使得其使用的成本較高，大量使用會使得汽車的成本升高，價格提高，不利于市場的銷售，并且長期供應(yīng)還會導(dǎo)致資源的枯竭。

隨著研究的深入，三效催化劑更新?lián)Q代。首先是人們嘗試盡量多的使用Pd去替代Pt、Rh的使用，從而達到降低成本的效果，但這樣的做法會進一步降低催化劑的工作空間，縮小空燃比的限制范圍，還更容易受到Pb的影響可能導(dǎo)致催化劑的大量中毒。其次人們引入了稀土金屬作為汽車尾氣的催化劑，發(fā)明了稀土復(fù)合氧化物催化劑。大多這類催化劑都會與以堇青石為主體的陶瓷蜂窩載體和γ-氧化鋁涂層配合使用，從而大幅的增加催化劑的比表面積，提高催化活性。這種催化劑對于三種物質(zhì)都有著良好的催化活性，對于HC和CO的催化效果尤為顯著，能接近完全轉(zhuǎn)化。相對于貴金屬催化劑，它具有許多優(yōu)勢，例如具有良好的熱穩(wěn)定性，在高溫下性質(zhì)穩(wěn)定；抗Pb等中毒的能力較強；我國儲量較為豐富，成本較低。但其具有較強的吸附性，并且吸附后難以離開，會影響它的催化性能；其次它在低溫條件以及高空速的條件下催化速率較慢，而且對于污染物濃度大的情況催化作用較小。但總而言之，稀土氧化物催化劑的綜合性能是高于前兩種催化劑的，有良好的發(fā)展前景。

2.2 催化劑載體

催化劑載體作為催化劑重要組成部分，可以起到固定催化劑活性部分、提供合適的孔結(jié)構(gòu)、增大比表面積，防止活性部分高溫下發(fā)生燒結(jié)等作用；也因此催化劑載體應(yīng)具有高機械強度、良好的熱穩(wěn)定性、不含會使催化劑中毒的物質(zhì)、合適的孔結(jié)構(gòu)和比表面積以及材料易得、成本較低等特點。

2.2.1 γ-氧化鋁

γ-氧化鋁由于其機械強度大，制造簡單，價格低廉，易于裝填的特點，常用于早期的汽車上，但因為它密度大，并采用裝填的方式，易導(dǎo)致汽車發(fā)動機排氣阻力增大，背壓增大，升高油耗，降低功率，逐漸被取代。

2.2.2 沸石分子篩

分子篩是結(jié)晶的硅鋁酸鹽，天然存在的稱為沸石。它擁有比較均勻的孔結(jié)構(gòu)，選用孔徑大小不同的分子篩可以對催化反應(yīng)起著選擇性作用，它還具有比較大的內(nèi)空間以及比較大的比表面積，有著良好的催化效果。

2.2.3 陶瓷蜂窩載體

這是一種較為新型的載體，其重要材料為堇青石（（Mg， Fe2+）2Al3 [AlSi5O18]·H2O），他具有反應(yīng)空間大，熱膨脹系數(shù)低，排氣阻力小的特點，再加上堇青石資源豐富，易于獲得，現(xiàn)普遍用于車輛當(dāng)中。但由于這種載體的表面比較光滑，無法對催化劑活性組分進行有限的固定，因此需要在上面涂上催化劑活性涂層，但由于大多涂層與此載體的物理性質(zhì)相差較大，難以完全契合，有時會導(dǎo)致催化劑失效的情況。

2.3 催化劑活性涂層

從以上的論述我們可以得知，部分催化劑與載體難以結(jié)合，此時就需要往載體上涂上活性涂層加以固定。其實大多數(shù)催化劑都需要涂有相應(yīng)的活性涂層，涂層的使用一是起到載體的作用，二是也能起到提高催化劑催化效果的功能。但由于作為涂層與載體的物質(zhì)不盡相同，存在有一定的物理性質(zhì)上的差異，有時涂層會發(fā)生相變或結(jié)塊從而降低催化劑的效果。因此，如何使得活性涂層與載體結(jié)合的更為緊密并且保證活性涂層在高溫下的性質(zhì)發(fā)生相對小的改變是研究的重點。

γ-氧化鋁是現(xiàn)在科研以及市場上比較常用的活性涂層。由于具有合適的孔結(jié)構(gòu)，大的比表面積以及較強的機械強度等優(yōu)點，γ-氧化鋁在高溫下會與作為催化劑活性組分的Rh發(fā)生反應(yīng)，生成沒有活性的鹽物質(zhì)，還會自己轉(zhuǎn)化為比表面積較小從而催化活性較低的α-氧化鋁，因此如何保持γ-氧化鋁在高溫下的性質(zhì)結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變是科研的重點。為了達到這種效果，科學(xué)家們常常向γ-氧化鋁中加入Zn、Ba、Mg、La等稀土以及堿土金屬的氧化物去降低它的結(jié)塊幾率，提高高溫下涂層的穩(wěn)定性。

3 汽車催化劑發(fā)展方向

（1）由于使用貴金屬作為催化劑的成本較高，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展價格較低、儲量較大的稀土氧化物催化劑。

（2）由于現(xiàn)有催化劑對于S、Pb、P等物質(zhì)的抗性都不高，易發(fā)生中毒現(xiàn)象，所以應(yīng)發(fā)展對于S、P、Pb有著更好抗性的催化劑。

（3）因為大多數(shù)催化劑對于低溫環(huán)境時的污染物催化效果較差，所以應(yīng)進一步發(fā)展在低溫條件下有著較好催化效果的催化劑。

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