催化轉(zhuǎn)化器的研究進(jìn)展

催化轉(zhuǎn)化器的研究進(jìn)展

肖丹妮，靳超，袁萬(wàn)里

(中國(guó)兵器裝備集團(tuán) 摩托車(chē)檢測(cè)技術(shù)研究所,西安 710032)

摘要：隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保問(wèn)題重視程度的提高，對(duì)車(chē)輛廢氣排放要求也相應(yīng)地增加.結(jié)合摩托車(chē)尾氣排放問(wèn)題，對(duì)催化轉(zhuǎn)化器在降低CO、HC和NOX等方面發(fā)揮的作用進(jìn)行了介紹，詳細(xì)闡述了催化轉(zhuǎn)化器的定義、組成和反應(yīng)原理，論述了在一定范圍內(nèi)貴金屬組分鉑、鈀、銠的含量越大，催化效率越高，同時(shí)其催化活性與貴金屬鉑、鈀、銠的粒徑也成線性關(guān)系；催化轉(zhuǎn)化器載體孔壁厚度越薄和孔密度越大催化效率越高；汽油品質(zhì)越好，含硫量越低，催化效率越高；根據(jù)不同車(chē)型的排放要求，選擇合適的溫度、排氣系統(tǒng)空燃比，使其達(dá)到最佳的排放效果.

關(guān)鍵詞：催化轉(zhuǎn)化器;催化作用;三元催化劑

中圖分類(lèi)號(hào)：U464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-5564(2015)03-0074-05

收稿日期：2015-03-23

基金項(xiàng)目：安徽省教育振興計(jì)劃高校優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013SQRL129ZD)；安徽省教育廳質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目(2012jyxm710；2013jyxm373)

作者簡(jiǎn)介：孫士新(1980—)，男，安徽亳州人，亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師，碩士，北京師范大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，信息安全技術(shù)專(zhuān)業(yè)帶頭人，主要從事于職業(yè)技術(shù)教育、信息化、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)研究.

ResearchRrogressofCatalyticConverters

XIAODan-ni,JINChao,YUANWan-li

(InstituteofMotorcycleTestTechnology,ChinaSouthIndustriesGroupCorporation,Xi’an710032,China)

Abstract：With the improvement of national emphasis on the environmental issues, the requirements for vehicle exhaust emissions also increases. In this paper, combining with the motorcycle exhaust emission problems, the roles of catalytic converter plays in reducing emissions of CO, HC and NOX, etc were introduced, and the composition and principle of the catalytic converter were discussed in detail. It’s said that the greater the component content of the platinum, palladium and rhodium, the higher the efficiency is. Meanwhile, relationship between the catalytic activity and the particle size of noble metals such as platinum, palladium and rhodium is also linear. The thinner wall thickness is and the greater the hole density is, so the higher the catalytic efficiency is. The catalytic efficiency will increase with the improving of the quality of gasoline and the decline of the sulfur content. According to the emission requirements of different models, the catalytic converters will achieve the best emission effect by selecting the appropriate temperature and air fuel ratio of the exhaust system.

Keywords：catalyticconverters;catalyticaction;theternarycatalyst

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染成為目前面臨的全球性問(wèn)題，環(huán)境污染很大一部分來(lái)自于空氣污染，而空氣污染源中，機(jī)動(dòng)車(chē)輛排放的廢氣污染占有比較大的比例.因此，降低廢氣污染物排放量已經(jīng)成為日益關(guān)注的話(huà)題.2007年國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局和質(zhì)量監(jiān)督總局對(duì)摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)做了新的編制，對(duì)廢氣污染物的排放做了更加嚴(yán)格的要求.這就要求廠家花更多的精力和財(cái)力來(lái)對(duì)摩托車(chē)減排措施進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到國(guó)家法律的規(guī)定.催化轉(zhuǎn)化器安裝于機(jī)動(dòng)車(chē)(汽車(chē)和摩托車(chē))發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，通過(guò)氧化還原反應(yīng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣有害物如CO、HC、和NOX轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水、二氧化碳和氮?dú)鈁1]，故又稱(chēng)之為三元(效)催化轉(zhuǎn)化器.當(dāng)廢氣通過(guò)催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，催化轉(zhuǎn)化器中的催化劑能夠增強(qiáng)CO、HC和NOX的活性，促進(jìn)其進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將CO氧化為CO2，碳?xì)淙剂涎趸癁镃O2和H2O，NOX還原為N2和O2[2]，從而實(shí)現(xiàn)降低尾氣污染物排放的目的.

1催化轉(zhuǎn)化器組成

催化轉(zhuǎn)化器主要由載體和涂層兩部分組成[2]，載體是催化轉(zhuǎn)化器的骨架，涂層上涂覆有貴金屬催化劑鉑、鈀和銠.

1.1催化轉(zhuǎn)化器載體

催化轉(zhuǎn)化器的載體主要分為陶瓷載體和金屬載體，陶瓷載體的主要成分為堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)[1]，其熱穩(wěn)定性高于1 300℃，而金屬載體的主要成分為FeCrAl，有的會(huì)添加少量的Ce和Y，將其制成蜂窩狀以提高其性能，與陶瓷載體相比，其熱穩(wěn)定相對(duì)較差，低于1 300℃，且金屬載體多用于空間緊湊的摩托車(chē)上，而陶瓷載體用于汽車(chē)上.

1.2催化轉(zhuǎn)化器涂層

在載體孔道表面涂覆一層特松散的以γ-Al2O3為主的活性涂層，即為催化轉(zhuǎn)化器的涂層，可以增加載體的表面積，極大地提高催化轉(zhuǎn)化器的活性表面積和儲(chǔ)存氧的能力[2-3].在活性涂層的外層涂覆含有鉑鈀銠貴金屬的催化劑和含鋯和鈰等元素的助催化劑.

催化轉(zhuǎn)化器的涂層是影響催化效率的主要因素之一，多涂層技術(shù)是提高催化轉(zhuǎn)化器性能的主要途徑，但隨著涂層的增多，涂層之間的粘結(jié)力變差，導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器貴金屬涂層脫落，進(jìn)而又降低了催化轉(zhuǎn)化器的性能，使得排放不能達(dá)到國(guó)家要求.目前國(guó)內(nèi)的一些廠家通過(guò)研究，采用多次多層涂覆來(lái)降低其脫附率.

2催化轉(zhuǎn)化器原理

催化轉(zhuǎn)化器是通過(guò)增強(qiáng)CO、HC和NOX活性，促進(jìn)CO、HC發(fā)生氧化反應(yīng)，而NOX發(fā)生還原反應(yīng)，其主要反應(yīng)為[3]：

在CO和HC的氧化燃燒過(guò)程中，氧化物與催化劑的交換有兩種機(jī)理：一類(lèi)是利用催化劑表面的吸附氧進(jìn)行氧化；另一類(lèi)是利用催化劑晶格中的氧進(jìn)行氧化.后者利用催化劑本身在兩種不明顯的價(jià)態(tài)之間循環(huán)，使電子向氧轉(zhuǎn)移,發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)，不同碳?xì)浠衔锏难趸潭纫彩遣煌?，烯烴和其他不飽和的碳?xì)浠衔锉粌?yōu)先氧化，而飽和的碳?xì)浠衔锖茈y被氧化，其中甲烷是最難被氧化的碳?xì)浠衔颷3].在進(jìn)行氧化還原反應(yīng)時(shí)，CO和HC也可以作為NOX的還原劑，將NOX還原為N2，因此在使用催化劑的同時(shí)應(yīng)充分改良催化劑的配方，使其能夠較好地利用廢氣自身的資源來(lái)提高催化效率.

3影響催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的因素

3.1貴金屬組分鉑、鈀、銠的含量和配比對(duì)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響

催化轉(zhuǎn)化器中催化劑貴金屬鉑、鈀、銠含量、組成和配比不同，其轉(zhuǎn)化效率也不同.催化轉(zhuǎn)化器對(duì)尾氣污染物的凈化反應(yīng)是表面化學(xué)反應(yīng)，一般情況下，貴金屬含量增加，貴金屬微粒在載體表面上的數(shù)量也增加，對(duì)尾氣污染物的轉(zhuǎn)化效率就提高，但是如果含量超過(guò)一定的限值，貴金屬就難于均勻分散和分布，且高溫下貴金屬顆粒容易發(fā)生聚集，也易于被涂層包埋，對(duì)尾氣污染物的轉(zhuǎn)化效率反而會(huì)下降[4]，同時(shí)，其催化活性與貴金屬鉑、鈀、銠的粒徑也成線性關(guān)系[5].

催化劑中的鉑和鈀主要對(duì)CO和HC起氧化作用，而銠主要對(duì)NOX起還原作用，比例不同，對(duì)尾氣污染物的轉(zhuǎn)化效率也不同.因此，應(yīng)根據(jù)不同的車(chē)型和需求選用合適含量組成和配比的催化轉(zhuǎn)化器.

3.2催化轉(zhuǎn)化器載體孔壁厚度和孔密度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響

目前，摩托車(chē)催化轉(zhuǎn)化器載體的孔密度多為200和300cpsi，但也有做到600cpsi的催化轉(zhuǎn)化器，同時(shí)催化轉(zhuǎn)化器載體孔道壁越薄，催化劑的孔密度越大，催化劑的表面積就越大，貴金屬與CO、HC和NOX接觸的機(jī)會(huì)也隨之增加，反應(yīng)會(huì)更加充分，其轉(zhuǎn)化效率也會(huì)相應(yīng)地提高[5].

3.3汽油品質(zhì)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響

汽油中的硫、鉛、磷和鋅等元素在燃燒后會(huì)形成氧化物顆粒，吸附于催化劑表面，導(dǎo)致催化劑不能與廢氣充分接觸而失去催化作用.隨著石油品質(zhì)的不斷提高，汽油中的硫和錳的含量都有明顯的下降，蒸汽壓要求也更為嚴(yán)格，催化轉(zhuǎn)化器的效率也相應(yīng)地改善和提高，延長(zhǎng)了催化轉(zhuǎn)化器的壽命.

3.4溫度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器效率的影響

通常，在常溫下三元催化轉(zhuǎn)化器不具備催化能力，只有當(dāng)催化劑被加熱到一定溫度，催化劑才具有氧化或還原的能力，通常催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度為250～350℃，正常工作溫度為400～800℃，高于 1 000℃，催化轉(zhuǎn)化器的催化劑會(huì)被燒結(jié)甚至內(nèi)部涂層會(huì)發(fā)生脫落[6]，載體發(fā)生破裂，車(chē)輛也易發(fā)生自燃事故.因此，在設(shè)計(jì)催化轉(zhuǎn)化器時(shí)應(yīng)多注意造成排氣溫度過(guò)高的因素，例如催化轉(zhuǎn)化器的安裝位置和點(diǎn)火時(shí)間過(guò)遲等因素，使催化轉(zhuǎn)化器的效能達(dá)到最佳.

3.5排氣系統(tǒng)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率的影響

排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率影響也較大.排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直接影響到催化劑載體尺寸和催化劑的用量，雙排氣消聲器的車(chē)輛需要安裝兩個(gè)尺寸較小的催化轉(zhuǎn)化器.對(duì)于某些車(chē)輛，由于排放污染物的含量需要安裝兩個(gè)甚至三個(gè)催化轉(zhuǎn)化器，進(jìn)行分級(jí)凈化，逐漸減排，以達(dá)到最終的減排目標(biāo).

3.6空燃比對(duì)催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率的影響

空燃比是供給發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣與汽油的混合比，空燃比對(duì)催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率影響也很大.當(dāng)空燃比大于理論值14.6，發(fā)動(dòng)機(jī)處于貧油燃燒狀態(tài)，催化劑對(duì)CO和HC的催化效率會(huì)迅速增高，但對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率下降；當(dāng)空燃比小于理論值14.6，發(fā)動(dòng)機(jī)出于富油燃燒，催化劑對(duì)CO和HC的催化效率會(huì)迅速下降.因此，可以通過(guò)對(duì)排氣組分的調(diào)節(jié)，選擇一個(gè)合適的空燃比來(lái)提高催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率[1]，使車(chē)輛的尾氣排放達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求.

4結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保問(wèn)題重視程度的提高，對(duì)車(chē)輛廢氣排放要求也相應(yīng)地嚴(yán)格，催化轉(zhuǎn)化器在今后摩托車(chē)中的地位也會(huì)隨之相應(yīng)地提高.目前，我國(guó)催化轉(zhuǎn)化器多采用貴金屬催化劑，而貴金屬的成本較高.一方面，通過(guò)研究采用非貴金屬或其氧化物代替貴金屬作為催化轉(zhuǎn)化器的催化劑；另一方面，對(duì)催化劑的微粒細(xì)化，利用納米材料獨(dú)特的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等獨(dú)特的性質(zhì)，改善反應(yīng)速度和反應(yīng)效率，用以提高催化劑活性，這樣更利于減排，保護(hù)環(huán)境.

[參考文獻(xiàn)]

[1]杜高輝,陸路,趙興國(guó),等.三效催化轉(zhuǎn)化器研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2001,1(2):53-57.

[2]翁棣,唐先進(jìn),趙新景,等.汽車(chē)尾氣催化處理實(shí)驗(yàn)研究[J].試驗(yàn)室研究與探索,2006,25(6)：611-614.

[3]程繼夏,邊耀璋.三元催化劑催化機(jī)理分析[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002,22(2):80-82.

[4]賀小昆,欒浩,劉沁曦,等.載體孔結(jié)構(gòu)與三效催化劑起燃特性實(shí)驗(yàn)[J].稀有金屬材料與工程研究,2011,40(7):1220-1224.

[5]黃盼,劉先樹(shù).三效催化轉(zhuǎn)化劑的研究進(jìn)展[J].環(huán)境開(kāi)發(fā)與市場(chǎng),2009,25(3):253-254.

[6]趙國(guó)濤.三效催化轉(zhuǎn)化器在汽車(chē)尾氣凈化中應(yīng)用[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,19(1):58-60.

[責(zé)任編輯馬云彤]

Vol.18No.3Jul.2015