不同比例金銠催化劑氣體轉換效率對比實驗

2020-10-21 12:43:18中汽認證中心有限公司蘆海旭楊依仙

機械工業標準化與質量 2020年10期

中汽認證中心有限公司□蘆海旭閆娜楊依仙

1 緒論

汽車已經成為人們生活中不可缺少的交通工具，但是任何事物都是一把雙刃劍，汽車在給人們帶來方便的同時，也帶來了尾氣污染的問題。通過催化劑來降低尾氣排放，成為了現今處理汽車尾氣污染問題的最主要解決方法。

隨著汽車尾氣排放標準的提高，三元催化器已經成為了汽車必不可少的一部分。這就帶來了一個新的問題：用于制造金屬催化劑的貴重金屬價格逐漸升高，使得三元催化劑的價格也逐漸走高。在不影響催化效果的情況下，降低三元催化劑的生產成本，成為了一個重要的研究課題。

為了降低金屬三元催化劑的成本，各國研究人員開始研究非金屬材料的三元催化劑以及稀土復合金屬氧化物三元催化劑。

主要的非金屬三元催化劑有：CuO、TiO2、ZrO2、NiO 等，這些非金屬三元催化劑雖然有一定的催化作用，但是作為催化劑主體使用，穩定性差、壽命短、起燃溫度高（被催化氣體轉化50%時的溫度）、熱穩定性也不理想，所以不太實用。

主要稀土復合金屬氧化物三元催化劑有氧化鈷。氧化鈷催化劑雖然可以降低成本，催化效果也不錯，但是氧化鈷本身對于人體健康有一定的危害。氧化鈷可引起咽粘膜刺激癥狀，繼而出現胃腸道刺激癥狀，可有嘔吐和腹絞痛、體溫升高、小腿無力等。非職業接觸引起紅細胞增多癥、心肌病、甲狀腺腫大、皮炎。這些潛在的健康危害，使它很難在汽車上大量使用。

非金屬三元催化劑和稀土復合金屬氧化物三元催化劑在實際使用中都存在一定問題，所以，在原有金屬催化劑的基礎上想辦法降低成本，就成為了一種新的思路。

2 金銠催化劑氣體轉化效率實驗

（1）實驗設計

要證明用便宜金屬替代起催化作用的貴重金屬來降低成本的可行性，需要測試不同比例混合金屬催化劑的催化效果。這里選擇測試催化劑好壞最重要的標準——對氣體不同溫度下和同溫下不同λ 值的轉化效率。如果轉化效率沒有降低，催化能力基本相同。然后通過對比混合金屬催化劑和純金屬催化劑在一輛汽車上的成本，就可以得出使用部分替代金屬的催化可否降低成本。本次實驗我們選擇了三種不同比例的金銠混合催化劑，使用三效催化裝置測試三種催化劑的轉化效果。

（2）三效催化實驗原理

當模擬尾氣通過三元催化裝置時，將增強CO、HC 和NOX三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO 在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC 化合物在高溫下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOX還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體。

通過收集不同溫度下催化后尾氣中CO、HC 和NOX三種氣體的含量，可以知道催化劑的催化效果。

（3）實驗裝置及藥品

1）實驗裝置

實驗裝置有：三效催化評價裝置（包括氣體流量計、電加熱套、溫度控制裝置、氣體成分分析儀）、壓力計、40 目和 60 目的篩網、質量秤、壓片模具、研缽中杵、實驗試管。

2）實驗藥品

實驗藥品有：Au:Rh=1:3、Au:Rh=1:1、Au:Rh=3:1（催化劑載體均為氧化鋁）。

（4）實驗步驟

實驗步驟主要分為三部分：催化劑壓片、催化劑裝管、催化劑催化效果評價。

1）壓片階段

催化劑壓片是為了保證測試催化劑有相同的接觸面積，消除接觸面積不同對催化劑效果的影響。具體步驟：

a）將催化劑樣品放入壓片模具中、厚度為1 到 2 毫米；

b）將模具放入壓力機上，施加 10 到 15 個大氣壓持續30 秒；

c）將壓片從模具中倒到篩網上，篩網自上而下放置順序為40 目篩網、60 目篩網、篩網托盤；

d）用杵將壓片搗碎，使其完全漏過40 目篩網，然后對60 目篩網上的樣品進行稱量，托盤中的樣品可以繼續用于壓片；

e）稱出0.2g 壓好的樣品進行實驗。

2）裝管階段

裝管階段的具體步驟：

a）清洗試管并烘干；

b）試管底部放入石英棉，防止藥品堵塞試管；

c）依次放入 5g 石英砂、催化劑與 3.5g 石英砂混合物、5g 石英砂，每層藥品之間用石英棉隔開，最上層石英砂上同樣用石英棉堵住。

3）實驗階段

實驗階段的具體步驟：

a）將試管放入電加熱套中，接上進、排氣管，頂端塞上帶有測量溫度裝置的軟木塞；

b）打開氣體成分分析儀、氣體流量計、溫度控制裝置；

c）打開六種實驗氣體（CO、HC、NOX、氧氣、氫氣、氮氣）鋼瓶（鋼瓶壓力調節到0.1到0.2 之間），調節氣體流量計到規定數值；

d）打開通氣開關，待氣體成分分析儀中數值穩定后，記入實驗數據表中RT 一行；

e）調節溫度控制裝置，并打開加熱開關：第一次升溫從室溫到100℃，每分鐘升5℃。然后每次升溫20℃，每分鐘2.5℃（20℃在8 分鐘之內升完）。每次溫度達到測量溫度時穩定一會兒記入實驗數據表中；

f）將數據整理并作圖，實驗裝置示意圖見圖1。

圖1

（5）實驗結果

1）實驗原始數據

a）三種不同比例催化劑在不同溫度下對CO、HC、NOX的催化效果見表1。

b）三種不同比例催化劑在不同溫度下對CO、HC、NOX的轉化率見表2。

表1

表2

從表1、表2 中的實驗數據可以清楚的看出，三種催化劑在反應溫度達到150℃左右時，混合氣體中CO 的含量急劇降低；在反應溫度達到160℃時，幾乎將CO 氣體完全凈化掉；在反應溫度達到420℃時，CO 的含量都有不同程度的回升。

HC 氣體在實驗中與其他兩種氣體有很大的區別：首先HC 氣體的反應速度比較緩慢，不像CO 氣體和NOX氣體在150℃到160℃之間會急速凈化干凈。三種不同催化劑轉化HC 氣體能力，更易受到催化劑中銠金屬含量的影響。金銠比例3:1 的催化劑甚至不能將HC 氣體完全凈化掉。

與CO 氣體相同，在不同溫度下，三種催化劑對NOX氣體的催化效果幾乎也是一樣的。在150℃時，NOX氣體開始大量減少，并且在160℃時NOX氣體基本被完全凈化掉。但是銠金屬含量較高的催化劑在對NOX氣體的轉化效果更強一些。

c）三種不同比例催化劑在不同λ 值下對CO、HC、NOX的催化效果見表3。

d）三種不同比例催化劑在不同λ 值下對CO、HC、NOX的轉化率見表4。

2）實驗分析

a）不同溫度下轉化效果分析

從實驗數據中可以看出，隨著銠元素所占比例的減小，催化劑的轉化效果也有小幅度的降低。但是在最后反應溫度420℃的時候，三種有害氣體的轉化率都很高，表5 為三種比例催化劑在溫度為420℃時氣體轉化率。

對催化過程起燃溫度（轉化到50%時的溫度）到最佳溫度（轉化達到90%時的溫度）進行分析，表6 為三種不同催化劑對CO 氣體催化的起燃溫度和最佳溫度；表7 為三種不同催化劑對HC 氣體催化的起燃溫度和最佳溫度；表8 為三種不同催化劑對NOX氣體催化的起燃溫度和最佳溫度。從起燃溫度到達最佳溫度時的溫度差也基本相同，說明了催化劑中金元素替代銠元素對催化劑轉化效果沒有太大影響。