飛馳的煙囪，金屬“貴族”的“盛宴”

蘇更林

在地球上，川流不息的汽車無疑是一個偉大的發明。然而，汽車在為我們帶來速度和效率的同時，也在污染著我們賴以生存的環境。發生在汽車煙囪里的“革命”，就是治理汽車尾氣污染的一劑良方。

解放了雙腿，污濁了大氣

對于燃油汽車來說，其前行的動力來自汽油等燃料所蘊含的化學能。燃料在內燃機中的燃燒就是其釋放化學能的基本過程，然后將其轉化為汽車運動的機械能。

在這個過程中，燃料的燃燒不可避免地會產生一些廢氣。我們通常稱其為汽車尾氣。我們知道，汽車尾氣的主要成分是二氧化碳，這是汽油等燃料燃燒的終極產物之一。二氧化碳作為一種主要的溫室氣體，被認為是導致全球變暖的“元兇”。實際上，汽車尾氣的成分是極其復雜的，對大氣造成的污染是十分巨大的。那么，除了二氧化碳，汽車尾氣中還有哪些有害成分呢？

一氧化碳 說起一氧化碳，大家一定不會陌生。這是一種無色無味但有毒的物質，煤氣中毒的罪魁禍首就是它。一氧化碳會降低血液的輸氧能力，嚴重時會導致人體組織因缺氧而死亡。汽車尾氣中的一氧化碳含量不一，主要取決于烴類燃料的燃燒程度。一氧化碳作為燃燒的中間產物，主要是由于烴類燃料不能完全燃燒而產生的。一般在汽車空擋運轉、慢速行駛或負重過大時，燃料往往燃燒不夠充分，因此廢氣中一氧化碳含量就會增加。

烴類物質 也就是我們常說的碳氫化合物。汽車尾氣中的碳氫化合物成分比較復雜，既有飽和烴，也有不飽和烴，還有含氧碳氫化合物，如醛類化合物等。就其來源來講，一般包括未燃燒的燃料烴、不完全氧化的產物以及燃燒過程中部分被分解的產物等。在大氣中，碳氫化合物作為光化學煙霧的前體物質之一，其氧化分解產物氫氧自由基是形成光化學煙霧的關鍵因素。20世紀40年代，發生在美國洛杉磯的光化學煙霧事件，就是由于汽車燃油排放的碳氫化合物、氮氧化物以及當地的地理環境和氣候因素共同作用的結果。光化學煙霧的某些成分（如過氧乙酰硝酸酯、甲醛等）對人的眼睛具有明顯的刺激作用，并對鼻、咽、喉、氣管以及肺部等具有刺激作用。光化學煙霧還會降低大氣的能見度，從而影響人們的出行；同時，光化學煙霧對植物也有一定的毒害作用，會造成農作物的減產。

氮氧化物 從燃油燃燒的過程來看，其排放的氮氧化物主要是一氧化氮（大于95%），剩余的主要是二氧化氮。一氧化氮為無色無臭的氣體，高濃度的一氧化氮會導致人體血液缺氧，并引起中樞神經麻痹。二氧化氮為具有刺激性的紅棕色氣體，并對人的呼吸系統具有危害性。二氧化氮在日光的照射下會產生原子氧，原子氧與氧氣的結合可以生成臭氧。二氧化氮通過光化學反應還會產生硝酸鹽二次顆粒，是形成灰霾的主要因素，從而導致空氣質量下降。同時，二氧化氮與水蒸氣發生作用，還是形成酸雨的重要原因之一。

發生在煙囪里的“革命”

其實，應對汽車尾氣危機并不是當今社會獨有的問題，從18世紀后期開始，工業革命的迅速興起，加速了汽車工業的崛起，空氣污染對人類健康的影響日益突出。

1909年，法國化學家弗倫克爾在第七屆國際應用化學大會上提出“用催化劑來促進燃燒”的方案。然而，弗倫克爾作為解決汽車尾氣排放問題的“吹風者”，并沒有引起人們的足夠重視。

真正讓煙囪里的“革命”實施落地的是法國工程師胡德里。胡德里是一個癡迷汽車的傳奇人物，在汽車的發展歷程中留下了他的創新足跡。

胡德里出生于1892年，其父親為結構鋼制造商，他在大學主修機械工程，畢業后，他在父親的鋼鐵企業工作。

第一次世界大戰后，胡德里作為一名業余公路賽車手，對汽油的品質極為關注。他曾致力于用褐煤合成汽油的研究，并因此成為了合成燃料的先驅。但由于合成燃料的成本明顯高于進口汽油，法國有關方面終止了對該研究的資助。后來，胡德里接受美國一家石油公司的邀請來到美國。1930年，胡德里發明了晶體硅酸鋁催化劑，并開發了一種用于制造高辛烷值燃料的催化工藝，他因此獲得了珀金獎章等多項榮譽。

20世紀四五十年代，美國洛杉磯等汽車密集的城市相繼發生光化學煙霧事件。胡德里再次把研究的目光投向催化劑，以解決由燃油燃燒造成的污染問題。1952年，他研制出了催化轉化器并注冊了專利。這些催化轉化器主要應用于工廠的煙囪中，而未能在汽車煙囪中獲得應用，其原因是汽油中添加的抗爆震劑四乙基鉛會使催化轉化器失效。

為了把“凈化空氣”行動落到實處，1973年美國啟動了含鉛汽油淘汰計劃。1975年，美國汽車煙囪“革命”迎來了轉機，世界上第一款量產的催化轉化器開始成為汽車的一個部件。

如何為汽車尾氣“消毒”

說到汽車煙囪里的“革命”，到底催化轉化器有著怎樣的秘密，居然能把汽車尾氣中的有害成分轉化為無害成分？

催化轉化器之所以能把汽車尾氣中的有害成分轉化為無害成分，其技術核心就是催化劑。汽車催化劑包括兩個部分，即主催化劑和助催化劑。主催化劑是以貴金屬為代表的活性組分，助催化劑多由稀土或賤金屬材料組成，主要是提高催化劑的活性和穩定性。

20世紀70年代，汽車尾氣凈化催化劑主要為鉑-鈀氧化型催化劑，可有效地把尾氣中的一氧化碳和碳氫化合物轉化為二氧化碳和水。這樣的設計是由當時的環保法規要求決定的。

20世紀70年代末到80年代，汽車尾氣凈化催化劑主要為鉑-銠雙金屬催化劑，這是基于某些國家對氮氧化物排放進行控制的實際要求而設計的。但由于該型催化劑易受鉛的毒化，其應用效果并不理想。

現在廣泛應用的汽車尾氣催化轉化器多為三元催化器，即鉑-鈀-銠三效催化劑。目前車用催化轉化器一般是由催化劑、金屬殼體、墊層、陶瓷載體四部分組成的。其中的催化劑是催化轉化器的核心部分，主催化劑為鉑、鈀、銠三種貴金屬，助催化劑多為鈰、鋇、鑭等材料。

主催化劑中的鉑、鈀、銠皆為鉑族元素，因其電子結構獨特、催化活性顯著而受到青睞，并因資源稀少、提煉困難而變得極其珍貴。據悉，除了鉑的價格略低于黃金外，鈀和銠的價格都比黃金高，甚至銠的價格是黃金的8.3倍。因此，把鉑、鈀、銠稱為金屬中的“貴族”是恰如其分的。

在三種貴金屬中，銠負責催化還原，鈀負責催化氧化，鉑對兩者都有活性。正是它們的分工協作才完成了尾氣的轉化任務，即將汽車尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物轉化為二氧化碳、水和氮氣，從而達到凈化汽車尾氣的目的。

治理汽車尾氣污染始終是防治空氣污染的重頭戲，也是我國“十四五”規劃的重點和難點。從技術的角度來講，控制汽車尾氣排放包括機內凈化措施和機外凈化措施兩大部分。我們所說的汽車煙囪里的“革命”，則屬于機外凈化工藝。機內凈化措施和機外凈化措施的結合，將是未來治理汽車污染的出路。特別是從汽車總體技術著手改進，并采用清潔能源、優化發動機結構、調整燃燒方法、改進操作條件、強化機外凈化等，將有助于有效治理汽車尾氣污染。

有序回收讓“貴金屬”重生

據悉，三元催化轉化器中的“貴金屬”含量因類型不同而存在差異。標準催化轉化器中的含量，一般鉑為3～7克，鈀為2～7克，銠為1～2克。

也許你會認為以“克”計的添加量并不算多，然而乘以巨大的汽車基數那可就是一個巨量數字了。截至2022年3月底，我國機動車保有量達4.02億輛，其中汽車3.07億輛。就世界而言，大約有15億輛汽車穿梭在地球上。

再來看看鉑族元素的儲量。鉑族元素在地殼中的分布極微，其平均豐度多以ppb（十億分之一）來表示。如鉑的平均豐度為5ppb，鈀的平均豐度為15ppb，銠的平均豐度為1ppb。以鉑族元素的產量來看，大約有60%以上的鉑被用于汽車尾氣處理催化劑。

隨著汽車數量的增長以及環保標準的提高，用于汽車尾氣處理的“貴金屬”存在資源枯竭的可能。破解剛性需求與資源不足矛盾的突破口，在于尋找替代品以及回收貴金屬等。

要知道，尋找替代品需要技術上的突破，因此需要時間來攻關。貴金屬回收雖有一定難度，但回收技術已基本定型。不過，在《國家危險廢物名錄（2021年版）》中，機動車和非道路移動機械尾氣凈化廢催化劑被列為危險廢物。

原來，廢汽車尾氣凈化催化劑含有重金屬、有機污染物等危險成分，處置不當會對水體、土壤、植被和動物等造成危害，并通過食物鏈危及人體健康，因此需要具有資質的正規企業來進行處置。

科學有序回收汽車尾氣廢催化劑中的“貴金屬”，一方面可以回收鉑、鈀、銠等貴金屬資源，另一方面還可以從源頭上治理廢舊汽車尾氣凈化催化劑污染，因此具有十分重要的意義。