機動車尾氣凈化催化劑的研究與展望

劉志軍

（中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031)

機動車尾氣污染物主要包括一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC），氮氧化合物（NOx）及顆粒物等，機動車尾氣污染是空氣污染的重要來源，對人類的健康危害也極大。本文概述了機動車尾氣凈化催化劑的研究現狀，并針對未來機動車尾氣凈化催化劑的發(fā)展進行了展望。

1 機動車尾氣凈化催化劑的研究

1.1 催化劑載體

機動車尾氣催化劑構成如圖1所示。載體構成催化劑的支撐骨架，可以提供催化劑活性中心、節(jié)省活性組分用量，同時還提供較大的比表面積和適宜的孔結構，增強催化劑的機械強度和熱穩(wěn)定性。

圖1 機動車尾氣催化劑的構成

機動車尾氣凈化催化劑的載體主要有多孔陶瓷載體（包括堇青石載體和SiC 多孔陶瓷載體）、金屬合金載體以及沸石載體、陶瓷纖維載體、玻璃纖維載體等。催化活性組分主要就是在高比表面載體上分布，這樣才可以充分地發(fā)揮其作用。載體選擇對于催化劑的活性會產生嚴重的影響，通過對載體進行處理可以降低催化劑的成本，提升活性組分利用率，提高催化劑機械強度，增強傳熱傳質條件，增強耐壓強度等。有效地增強催化劑的抗毒性能，應用載體會在一定程度上吸附、分解在燃油、潤滑以及機油添加劑中的部分有毒物質。

在進行大空速操作處理中，如果反應熱逐漸在催化床層中進行積累，則很容易降低催化劑的活性，產生副反應，其在不穩(wěn)定的操作區(qū)域中很容易出現操作性的隱患問題。而通過載體則可以有效解決此種問題。

汽車尾氣凈化催化劑載體目前使用最多的為多孔陶瓷載體，具有高孔隙率、強熱擴散能力、機械強度高、熱穩(wěn)定性好、比表面積大、催化活性涂層薄等優(yōu)點。另一種載體是合金壓成波紋狀的整體性合金載體，具有較強的熱穩(wěn)定性，尾氣排放的阻力相對較低，較強的排氣動力性能，機械性能良好，載體的應用壽命延長等優(yōu)勢，但是金屬載體表面光滑，毛細孔道不足，催化劑活性組分的負載相對較為困難，在進行催化劑的制備處理中工藝負載，成本相對較高，其具有較強的金屬熱膨脹系數等。

1.2 催化劑涂層

催化劑涂層材料是通過一種、多種金屬氧化物形成的一種復合型粉體材料。在催化劑技術不斷發(fā)展中，涂層材料高速發(fā)展，其逐漸發(fā)展為功能組合型。涂層材料是貴金屬等活性組分的有效載體，可以增強催化活性的表面結構，在與貴金屬的作用之下，形成了協(xié)調作業(yè)機制，可以充分地提升催化劑活性，增強整體的穩(wěn)定性，提高了抗中毒性。目前所用較多的活性涂層為SiO2和TiO2等高熔點無機氧化物。

活性涂層在研究中的關鍵就是要在高溫階段維持整體的高比表面積，使得涂層與載體可以有效地結合與匹配，避免出現結塊以及相變等問題。

現階段在研究中主要就是通過添加稀土、過渡金屬原始的方式，通過化合物直接的協(xié)調功效，在相互作用之下提升催化劑的熱穩(wěn)定性，增強整體的儲氧能力，提升整體的助催化性能。在實踐中通過多層活性涂層、應用氧化物進行處理，可以有效地增強整體的穩(wěn)定性，避免出現高溫劣化的問題。

1.3 催化劑助劑

催化劑助劑是汽車尾氣催化劑研究的重要組成部分，其主要負載于活性涂層材料上。目前使用最多的主要有非貴金屬、稀土金屬以及堿土金屬，如氧化鋯（ZrO2）、氧化鈦（TiO2）、氧化鐲（La2O3）等氧化物。助劑主要對催化劑性能的主要組分進行調變，自身的活性較低，甚至沒有活性。將其添加到催化劑中，在與活性組分的化學、物理作用之下具有改善催化劑結構、活性性能的作用。

1.4 催化劑活性組分

催化劑的制備過程中利用前軀體溶液將催化劑的活性組分引入到載體中，然后經過干燥、煅燒還原等處理，使其分解為一種金屬單質或一種氧化物，均勻分布在催化劑載體上。催化劑活性組分主要有貴金屬、非貴金屬兩種類型。貴金屬以鉑、鈀、銠最為常用，其具有起燃溫度低、壽命長的特征，具有較強的催化轉化的效率特征。但是貴金屬的價格昂貴，在應用中很容易出現中毒等問題。非貴金屬催化劑以過渡金屬與堿金屬氧化物為主要活性組分，其中，鈣鈦礦型三效催化劑具有優(yōu)秀的催化性能和物理化學性質，通過催化組分可變性，可以選擇合適的替代物進行金屬離子價態(tài)的控制管理，達到增強整體反應活性的目的。此種類型的催化劑具有較強的轉化率以及凈化率。在高溫狀態(tài)之下較為穩(wěn)定。但是相對于貴金屬的催化劑來說其還原性能不足，起燃溫度也相對較高。

2 機動車尾氣凈化催化劑的展望

機動車尾氣凈化催化劑發(fā)展可以有效地降低空氣污染問題，是解決汽車高速發(fā)展導致的污染問題的關鍵因素。因此，要融合多種技術做好機動車尾氣凈化催化劑研究分析。

2.1 貴金屬催化劑

貴金屬催化劑目前使用最為廣泛，有害氣體凈化率可達90%以上，但其也有一定的缺點，如高溫失活、易中毒以及制造成本高，是影響其發(fā)展的關鍵因素。研究的重點是使用高效的催化劑載體，有效地降低貴金屬用量。該高效載體應具有較強的電子傳導能力、較大的比表面積和合理的孔結構，以及顯著的抗腐蝕性。

現階段主要研究的內容有貴金屬催化劑技術、貴金屬-非貴金屬混合催化劑、納米稀土材料催化劑以及超臨界技術，此類技術應用前景廣泛。

2.2 稀土材料的應用

三效催化劑主要就是通過載體、涂層、活性組分以及助劑四個部分共同構成。稀土材料一般用于三效催化劑的助劑、穩(wěn)定劑和分散劑。其中助劑就是一種活性較低的添加物，甚至沒有催化作用，通過添加到催化劑可以有效地增強催化劑的催化性能。現階段研究的重點稀土儲氧材料和La穩(wěn)定的氧化鋁材料，這兩者對催化劑的性能起著最為關鍵性的作用。

納米稀土催化技術已應用于汽車尾氣處理過程中。在今后的研發(fā)中要尋找新型的可以替代或部分替代貴金屬的催化材料，已成為研究的重點，在三效催化劑中利用納米稀土粒子替代常規(guī)稀土化合物，可有效地提高尾氣的凈化率。納米稀土具有較強的催化活性，氧化還原性能較強，可以有效地解決汽車尾氣的污染問題。

2.3 ABO3 鈣鈦礦結構催化劑

稀土元素（如La、Ce等）和過渡金屬元素（如Fe、Co 等）組成的ABO3鈣鈦礦結構催化劑具有凈化率高、穩(wěn)定性好、抗中毒能力強等優(yōu)點，今后的研究重點是解決其還原性不足，起燃溫度高和壽命低等問題。

2.4 新型汽車尾氣凈化技術

研究表明，低溫等離子體技術可用于氣體凈化，其在機動車尾氣處理方面也有著廣闊的發(fā)展前景。但是其也具有一定的局限性，低溫等離子體技術對于汽車尾氣凈化處理流程較為復雜，會受到各種因素的影響，在實踐中也沒有形成完整的理論。綜合國內外研究，目前研究的方向是將催化技術與低溫等離子體技術相結合，等離子體場可產生高能量活性粒子，促進催化反應的發(fā)生，同時減少能耗，讓反應具有選擇性，同時減少反應副產物。

3 結語

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，更加重視對機動車尾氣的凈化分析，通過研發(fā)新的催化劑可以有效地降低各種污染問題?？偟膩碚f，我國機動車尾氣排放凈化技術起步較晚，深入研究機動車尾氣催化劑，可以降低機動車尾氣造成的不良影響，有效地降低環(huán)境污染。在進行機動車尾氣設計與開發(fā)中要優(yōu)化催化劑的性能，開發(fā)出更高效、專一的催化劑，降低催化劑成本，提高催化劑的整體壽命。