納米材料在汽車尾氣處理方面的應(yīng)用研究

付曉彤

（武城縣第二中學(xué)，山東 德州 253000）

引言

在當(dāng)今生產(chǎn)生活中，汽車扮演著不可或缺的重要角色，產(chǎn)銷量每年都是遞增的。但尾氣排放對環(huán)境的影響也日益嚴(yán)重，尤其是在重視環(huán)保的今天，如何提高尾氣處理水平變得日益迫切。目前凈化尾氣的方法主要有兩種，一種是通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，使燃料燃燒得更加充分或者對廢氣進(jìn)行循環(huán)再利用，提高尾氣凈化水平；另一種是采用催化劑對尾氣進(jìn)行處理，比如以前國內(nèi)外普遍使用的是三元催化劑催化法凈化尾氣。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)外開始研究采用納米催化劑對尾氣進(jìn)行處理。納米催化劑具有粒徑較小、分散比較均勻等優(yōu)點(diǎn)，對尾氣中的CO、HC 以及NOx的轉(zhuǎn)化都有較好的促進(jìn)作用，所以擁有良好的凈化效果。

1 汽車尾氣凈化裝置

1.1 汽車排氣系統(tǒng)組成

汽車排氣系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：先是排氣歧管，其后是前置管和三元催化凈化器，消聲器和排氣尾管則布置在凈化器的后端。汽車尾氣中的包括CO、HC以及NOx等有害物質(zhì)，是通過在三元催化凈化器中的催化劑的作用，通過反應(yīng)生成CO2、H2O和N2，所以這種催化方法稱為三元催化法。

1.2 三元催化凈化器載體

載體、涂層、減振層和殼體等是三元催化凈化器的主要組成部分。三元催化凈化器的載體主要有顆粒載體、陶瓷蜂窩載體和金屬蜂窩載體三種。由于凈化器的位置在排氣歧管之后，所以工作溫度變化很大，工作時低溫即可達(dá)到200oC，高溫甚至可以達(dá)到900oC，這就要求載體具有極高的穩(wěn)定性。最初應(yīng)用較多的是顆粒載體，其優(yōu)點(diǎn)比較多，例如比表面積比較大、機(jī)械強(qiáng)度較高、成本較低。但排氣時，這種顆粒狀結(jié)構(gòu)會增大阻力，引起發(fā)動機(jī)的功率下降、油耗明顯上升，并且在高溫工況下，由于會受到氣流的沖擊而粉碎，所以穩(wěn)定性較差，逐漸被目前廣泛使用的陶瓷蜂窩載體所替代。催化劑載體之所以做成蜂窩狀，主要是為了擴(kuò)大催化面積。陶瓷蜂窩載體的優(yōu)點(diǎn)主要是阻力和熱膨脹系數(shù)都較小，但金屬蜂窩載體的幾何表面積更大，催化劑更容易被吸附在其表面，并且更容易和殼體匹配，所以研究人員開始逐漸重視金屬蜂窩載體的研發(fā)和應(yīng)用。但金屬載體研究時間不長，還有一些問題待解決。凈化器最外層是殼體，主要起到保護(hù)的作用，其材料一般為不銹鋼。

2 納米載體涂層材料的應(yīng)用

蜂窩載體表面一般要涂覆一層均勻的涂層，目的是提供更大的比表面積，使更多的催化劑活性組分能夠負(fù)載在其表面。目前汽車行業(yè)常用的涂層材料是 Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好，不容易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，同時價格較低。但其缺點(diǎn)也比較明顯，比如高溫時由于其熱膨脹系數(shù)與載體不同，所以載體上及涂層之間的結(jié)合緊密程度會受到很大影響，可能會導(dǎo)致涂層的剝離，其負(fù)載的催化劑活性組分也會跟著分離。所以必須對加工工藝和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，盡可能減少脫落概率。對于金屬蜂窩載體來說，其基體與涂層材料的物理性質(zhì)差別非常大，所以由于結(jié)合強(qiáng)度比較低更容易脫落，雖然國內(nèi)外研究有所進(jìn)展，但推廣前景仍然不甚明朗。浸涂法是使用較多的涂層涂覆方法，除此之外，預(yù)涂覆法和溶膠-凝膠法等也是應(yīng)用比較多的方法。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以將 Al2O3制成納米級，從而可以使其比表面積增加，孔容率變大，表面活性中心增多，涂層負(fù)載量也可以獲得較大提升，同時可以使催化劑的催化效率和催化的穩(wěn)定性有所改善。使用納米級 Al2O3，由于貴金屬和助劑的表面吸附能力很強(qiáng)、分散度較高，可以有效防止納米粒子的長大和燒結(jié)，從而可以減少催化劑中的貴金屬的用量，同時也使得其使用壽命獲得延長。因?yàn)榧{米級粉體的氧化還原能力特別強(qiáng)，所以汽車尾氣中 CO 和 NOx的排放情況得以改觀。因此，納米級 Al2O3是尾氣凈化催化劑的非常理想的載體。

3 納米汽車尾氣催化劑的應(yīng)用

催化劑由活性組分和助劑等組成。在控制汽車尾氣污染方面，以貴金屬 Pt，Rh，Pd作為活性組分的三效汽車尾氣催化劑應(yīng)用很廣，因?yàn)槿Т呋瘎┑臒岱€(wěn)定性比較好，另外，其活性、選擇性及機(jī)械強(qiáng)度都較高，所以在汽車尾氣催化劑應(yīng)用方面占有絕對優(yōu)勢。在這三種貴金屬中，為了解決NOx如何在高溫下被還原成N2的問題，Rh被應(yīng)用于催化劑活性組分中；另外，如何處理尾氣中的CO，HC，Pd作為重要的活性組分得到應(yīng)用；Pt的作用是氧化CO和HC，同時對NO也具有一定的還原能力，如果CO的濃度比較高，或者其中有SO2時，使用Rh其效果會更好。貴金屬催化劑的應(yīng)用也有其局限性，比如其受空燃比的影響比較大，貴金屬在高溫工況下，組織會產(chǎn)生明顯變化，從而導(dǎo)致其催化能力降低；另外，尾氣中含有鉛、硫等元素，會對貴金屬產(chǎn)生較大的腐蝕作用，從而使得其催化能力受到很大影響；再有，貴金屬的高溫性能也有待提高，并且貴金屬價格比較貴，導(dǎo)致其使用成本較高。因此，各個研究機(jī)構(gòu)開始對如何改進(jìn)催化劑的成分或減少貴金屬的用量開展研究。

近年來，催化劑的比表面積的提高、熱穩(wěn)定性的提升、活性如何增強(qiáng)等問題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。通過研究發(fā)現(xiàn)，如果溫度降低，那么催化活性就會升高；經(jīng)研究表明，貴金屬的粒徑和其催化活性的提升是成反比的。所以為了使納米尺寸得到保障，并在合理的范圍之內(nèi)，可以將其分散負(fù)載到具有納米 Al2O3涂層的載體上，在涂層中加入助劑，在涂層中也可以加入一些其他貴金屬，增強(qiáng)載體的穩(wěn)定性，從而保證最佳的催化效果。

納米 CeO2被當(dāng)做重要的助劑來使用，其各種化學(xué)活性能都較好，Pt，Pd，Ru等貴金屬是其經(jīng)常組合使用的對象，以提高催化效果。另外，Ba、La、Zr等也是有此等功效，經(jīng)過以上這些化學(xué)助劑的使用，Al2O3的熱穩(wěn)定性得到了有效保障，同時可以減少比表面積的損失，并且可以使貴金屬分散度得到提升，防止貴金屬聚集，影響催化效果。

研究表明，納米催化劑可以消耗較少貴金屬，而其催化效果卻與傳統(tǒng)催化劑相當(dāng)，甚至更好。如果將納米催化劑替代傳統(tǒng)催化劑，應(yīng)用于汽車市場，那么可以使排放要求得到滿足的同時，使用成本卻可以降低15%左右。同時也能更有效地降低尾氣中的CO、HC 以及NOx等有害物質(zhì)的排放，保護(hù)環(huán)境，減小污染。

4 結(jié)論

在汽車尾氣催化劑領(lǐng)域，納米材料由于其比表面積大，很高的化學(xué)活性，利用其制成的催化劑粒徑比較小、在載體上分散均勻，所以可以產(chǎn)生良好的尾氣凈化效果。因此得到了科研及生產(chǎn)企業(yè)的極大重視和應(yīng)用。但是，由于納米材料的生產(chǎn)要求很高的技術(shù)儲備，其耐熱穩(wěn)定性的控制也是一個難題，再者貴金屬的成本較高，這些都是亟待解決的問題，所以限制了其發(fā)展。但相對于傳統(tǒng)催化劑來說，納米催化劑具有不可比擬的優(yōu)越性，隨著研究的不斷深入，必將有性能更加優(yōu)異的納米催化劑投入使用，大大提升汽車尾氣凈化效果。