汽車(chē)催化劑研究進(jìn)展

孫一凡

摘 要：汽車(chē)是現(xiàn)代生活必不可少的交通工具之一，但與此同時(shí)汽車(chē)尾氣的排放也造成了非常嚴(yán)重的空氣污染，使用良好的汽車(chē)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(gè)方面去介紹催化劑，從各個(gè)組成的原理、成分、優(yōu)缺點(diǎn)等角度對(duì)每一種催化劑進(jìn)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(cè)了未來(lái)催化劑的發(fā)展趨勢(shì)，使得人們對(duì)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(lèi)號(hào)：TQ426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0228-02

1 背景概述

汽車(chē)作為現(xiàn)代社會(huì)最重要的交通工具之一，它的普及為人們的出行帶來(lái)了極大的便利，但與此同時(shí)，也造成了非常嚴(yán)重的空氣污染。以北京為例，大氣污染中汽車(chē)尾氣排放的氮氧化合物（NOx）、一氧化碳和碳?xì)浠衔铮–nHm）分別占據(jù)了64%、92%、51%， 由此可見(jiàn)，對(duì)于汽車(chē)尾氣的治理刻不容緩。

汽車(chē)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(huì)對(duì)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?xì)浠衔铮℉C）中一部分有一定的致癌性，在濃度高時(shí)容易誘發(fā)人體的畸變和癌變，還有些在陽(yáng)光照射下會(huì)轉(zhuǎn)化成次生污染物并產(chǎn)生有害的光化學(xué)煙霧，對(duì)于人體的許多器官有著刺激作用。同時(shí)像甲烷等物質(zhì)也會(huì)造成大氣的溫室效應(yīng)。

由于以上汽車(chē)尾氣排放對(duì)于環(huán)境的諸多危害，政府以及各類(lèi)機(jī)構(gòu)也都已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行對(duì)于尾氣的處理凈化研究。對(duì)于尾氣的處理，可以由三個(gè)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(dá)到減少污染的效果；第二是在尾氣排出時(shí)對(duì)尾氣進(jìn)行催化凈化處理，將其中的有害污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)然后再排放到空氣之中；第三是改變發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，使某些氣體能更充分的燃燒從而變成無(wú)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(chǎng)所接受，對(duì)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(jìn)行，因此催化劑的研究發(fā)展對(duì)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(gè)方面去進(jìn)行論述，并在最后對(duì)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(jī)理

2.1 催化劑活性組分

活性組分是整個(gè)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(jìn)行吸附，進(jìn)而對(duì)污染物進(jìn)行集中、高效的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)害的物質(zhì)排出。

催化劑根據(jù)反應(yīng)的類(lèi)別可以大致分為兩類(lèi)：

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

2.1.1 氧化型催化劑

由于各國(guó)剛開(kāi)始的法規(guī)只對(duì)于CO和HC的排放有所限制，所以開(kāi)始的催化劑都是向著減少這兩種物質(zhì)的排放為目標(biāo)的，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的要求。當(dāng)時(shí)活性組分大多是選擇銅鈷鎳等較為普遍的金屬進(jìn)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(dá)到更好的催化效果。由于這些金屬儲(chǔ)量豐富，成本低廉，受到了市場(chǎng)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(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的推廣。

后來(lái)人們開(kāi)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(wèn)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(wú)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(shí)催化CO、HC、NOx三種物質(zhì)，人們向催化劑中添加了對(duì)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(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及催化活性，但與此同時(shí)，它也有著許多缺點(diǎn)，例如工作空間狹窄，只能在特定空燃比下才能進(jìn)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(chǔ)量較少，使得其使用的成本較高，大量使用會(huì)使得汽車(chē)的成本升高，價(jià)格提高，不利于市場(chǎng)的銷(xiāo)售，并且長(zhǎng)期供應(yīng)還會(huì)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(dá)到降低成本的效果，但這樣的做法會(huì)進(jìn)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(chē)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(lèi)催化劑都會(huì)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(duì)于三種物質(zhì)都有著良好的催化活性，對(duì)于HC和CO的催化效果尤為顯著，能接近完全轉(zhuǎn)化。相對(duì)于貴金屬催化劑，它具有許多優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)；我國(guó)儲(chǔ)量較為豐富，成本較低。但其具有較強(qiáng)的吸附性，并且吸附后難以離開(kāi)，會(huì)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(duì)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(jī)械強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、不含會(huì)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(diǎn)。

2.2.1 γ-氧化鋁

γ-氧化鋁由于其機(jī)械強(qiáng)度大，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于裝填的特點(diǎn)，常用于早期的汽車(chē)上，但因?yàn)樗芏却?，并采用裝填的方式，易導(dǎo)致汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chēng)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(duì)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(diǎn)，再加上堇青石資源豐富，易于獲得，現(xiàn)普遍用于車(chē)輛當(dāng)中。但由于這種載體的表面比較光滑，無(wú)法對(duì)催化劑活性組分進(jìn)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(shí)會(huì)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(shí)就需要往載體上涂上活性涂層加以固定。其實(shí)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(shí)涂層會(huì)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(duì)小的改變是研究的重點(diǎn)。

γ-氧化鋁是現(xiàn)在科研以及市場(chǎng)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(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，γ-氧化鋁在高溫下會(huì)與作為催化劑活性組分的Rh發(fā)生反應(yīng)，生成沒(méi)有活性的鹽物質(zhì)，還會(huì)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(diǎn)。為了達(dá)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(chē)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(jià)格較低、儲(chǔ)量較大的稀土氧化物催化劑。

（2）由于現(xiàn)有催化劑對(duì)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(duì)于S、P、Pb有著更好抗性的催化劑。

（3）因?yàn)榇蠖鄶?shù)催化劑對(duì)于低溫環(huán)境時(shí)的污染物催化效果較差，所以應(yīng)進(jìn)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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