不同比例金銠催化劑氣體轉(zhuǎn)換效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

中汽認(rèn)證中心有限公司□蘆海旭 閆 娜 楊依仙

1 緒論

汽車(chē)已經(jīng)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(chē)在給人們帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了尾氣污染的問(wèn)題。通過(guò)催化劑來(lái)降低尾氣排放，成為了現(xiàn)今處理汽車(chē)尾氣污染問(wèn)題的最主要解決方法。

隨著汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，三元催化器已經(jīng)成為了汽車(chē)必不可少的一部分。這就帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題：用于制造金屬催化劑的貴重金屬價(jià)格逐漸升高，使得三元催化劑的價(jià)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(chǎn)成本，成為了一個(gè)重要的研究課題。

為了降低金屬三元催化劑的成本，各國(guó)研究人員開(kāi)始研究非金屬材料的三元催化劑以及稀土復(fù)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(wěn)定性差、壽命短、起燃溫度高（被催化氣體轉(zhuǎn)化50%時(shí)的溫度）、熱穩(wěn)定性也不理想，所以不太實(shí)用。

主要稀土復(fù)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(cuò)，但是氧化鈷本身對(duì)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(xiàn)胃腸道刺激癥狀，可有嘔吐和腹絞痛、體溫升高、小腿無(wú)力等。非職業(yè)接觸引起紅細(xì)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(chē)上大量使用。

非金屬三元催化劑和稀土復(fù)合金屬氧化物三元催化劑在實(shí)際使用中都存在一定問(wèn)題，所以，在原有金屬催化劑的基礎(chǔ)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(zhuǎn)化效率實(shí)驗(yàn)

（1） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

要證明用便宜金屬替代起催化作用的貴重金屬來(lái)降低成本的可行性，需要測(cè)試不同比例混合金屬催化劑的催化效果。這里選擇測(cè)試催化劑好壞最重要的標(biāo)準(zhǔn)——對(duì)氣體不同溫度下和同溫下不同λ 值的轉(zhuǎn)化效率。如果轉(zhuǎn)化效率沒(méi)有降低，催化能力基本相同。然后通過(guò)對(duì)比混合金屬催化劑和純金屬催化劑在一輛汽車(chē)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(shí)驗(yàn)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(cè)試三種催化劑的轉(zhuǎn)化效果。

（2） 三效催化實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)模擬尾氣通過(guò)三元催化裝置時(shí)，將增強(qiáng)CO、HC 和NOX三種氣體的活性，促使其進(jìn)行一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)，其中CO 在高溫下氧化成為無(wú)色、無(wú)毒的二氧化碳?xì)怏w；HC 化合物在高溫下氧化成水（H2O） 和二氧化碳；NOX還原成氮?dú)夂脱鯕狻ＨN有害氣體變成無(wú)害氣體。

通過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置及藥品

1） 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置有：三效催化評(píng)價(jià)裝置（包括氣體流量計(jì)、電加熱套、溫度控制裝置、氣體成分分析儀）、壓力計(jì)、40 目和 60 目的篩網(wǎng)、質(zhì)量秤、壓片模具、研缽中杵、實(shí)驗(yàn)試管。

2） 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)。

1） 壓片階段

催化劑壓片是為了保證測(cè)試催化劑有相同的接觸面積，消除接觸面積不同對(duì)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(jī)上，施加 10 到 15 個(gè)大氣壓持續(xù)30 秒；

c） 將壓片從模具中倒到篩網(wǎng)上，篩網(wǎng)自上而下放置順序?yàn)?0 目篩網(wǎng)、60 目篩網(wǎng)、篩網(wǎng)托盤(pán)；

d） 用杵將壓片搗碎，使其完全漏過(guò)40 目篩網(wǎng)，然后對(duì)60 目篩網(wǎng)上的樣品進(jìn)行稱量，托盤(pán)中的樣品可以繼續(xù)用于壓片；

e） 稱出0.2g 壓好的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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(kāi)，最上層石英砂上同樣用石英棉堵住。

3） 實(shí)驗(yàn)階段

實(shí)驗(yàn)階段的具體步驟：

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

b） 打開(kāi)氣體成分分析儀、氣體流量計(jì)、溫度控制裝置；

c） 打開(kāi)六種實(shí)驗(yàn)氣體（CO、HC、NOX、氧氣、氫氣、氮?dú)猓?鋼瓶（鋼瓶壓力調(diào)節(jié)到0.1到0.2 之間），調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)到規(guī)定數(shù)值；

d） 打開(kāi)通氣開(kāi)關(guān)，待氣體成分分析儀中數(shù)值穩(wěn)定后，記入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中RT 一行；

e） 調(diào)節(jié)溫度控制裝置，并打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)：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(nèi)升完）。每次溫度達(dá)到測(cè)量溫度時(shí)穩(wěn)定一會(huì)兒記入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中；

f） 將數(shù)據(jù)整理并作圖，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1

（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1） 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

a） 三種不同比例催化劑在不同溫度下對(duì)CO、HC、NOX的催化效果見(jiàn)表1。

b） 三種不同比例催化劑在不同溫度下對(duì)CO、HC、NOX的轉(zhuǎn)化率見(jiàn)表2。

表1

表2

從表1、表2 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清楚的看出，三種催化劑在反應(yīng)溫度達(dá)到150℃左右時(shí)，混合氣體中CO 的含量急劇降低；在反應(yīng)溫度達(dá)到160℃時(shí)，幾乎將CO 氣體完全凈化掉；在反應(yīng)溫度達(dá)到420℃時(shí)，CO 的含量都有不同程度的回升。

HC 氣體在實(shí)驗(yàn)中與其他兩種氣體有很大的區(qū)別：首先HC 氣體的反應(yīng)速度比較緩慢，不像CO 氣體和NOX氣體在150℃到160℃之間會(huì)急速凈化干凈。三種不同催化劑轉(zhuǎn)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(duì)NOX氣體的催化效果幾乎也是一樣的。在150℃時(shí)，NOX氣體開(kāi)始大量減少，并且在160℃時(shí)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(duì)NOX氣體的轉(zhuǎn)化效果更強(qiáng)一些。

c） 三種不同比例催化劑在不同λ 值下對(duì)CO、HC、NOX的催化效果見(jiàn)表3。

d） 三種不同比例催化劑在不同λ 值下對(duì)CO、HC、NOX的轉(zhuǎn)化率見(jiàn)表4。

2） 實(shí)驗(yàn)分析

a） 不同溫度下轉(zhuǎn)化效果分析

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，隨著銠元素所占比例的減小，催化劑的轉(zhuǎn)化效果也有小幅度的降低。但是在最后反應(yīng)溫度420℃的時(shí)候，三種有害氣體的轉(zhuǎn)化率都很高，表5 為三種比例催化劑在溫度為420℃時(shí)氣體轉(zhuǎn)化率。

對(duì)催化過(guò)程起燃溫度（轉(zhuǎn)化到50%時(shí)的溫度） 到最佳溫度（轉(zhuǎn)化達(dá)到90%時(shí)的溫度） 進(jìn)行分析，表6 為三種不同催化劑對(duì)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(duì)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(duì)NOX氣體催化的起燃溫度和最佳溫度。從起燃溫度到達(dá)最佳溫度時(shí)的溫度差也基本相同，說(shuō)明了催化劑中金元素替代銠元素對(duì)催化劑轉(zhuǎn)化效果沒(méi)有太大影響。

表3

表4

表5

表6

b） 不同λ 值下轉(zhuǎn)化效果分析

不同λ 值下，不同比例催化劑轉(zhuǎn)化效果如表9 所示。

不同λ值下，不同比例催化劑對(duì)氣體轉(zhuǎn)化率的影響幾乎是相同的。說(shuō)明從不同λ值角度上看，催化劑中金元素替代銠元素對(duì)催化劑轉(zhuǎn)化效果沒(méi)有太大影響（由于實(shí)驗(yàn)器材溫度不能達(dá)到Au:Rh=3:1 對(duì)HC 氣體轉(zhuǎn)化的最佳溫度，所以無(wú)法測(cè)得HC 轉(zhuǎn)化率大于90%的λ值范圍）。

c） 催化劑效果總結(jié)

三種比例催化劑催化效果都很好，催化劑比例在3:1 情況下的催化劑轉(zhuǎn)化率相對(duì)要差一些，也僅僅是在HC 氣體這一項(xiàng)上有一些差距，其他兩項(xiàng)甚至還要高于1:1 比例的催化劑。這充分說(shuō)明用金元素部分替代銠元素的催化劑對(duì)氣體轉(zhuǎn)化效率的影響非常小。

汽車(chē)三元催化器的工作開(kāi)始溫度在200℃，正常工作溫度都在400℃到800℃。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備限制，我們實(shí)驗(yàn)溫度只能做到420℃，也完全能達(dá)到一般工作溫度。在這種工作條件下，金銠混合催化劑在轉(zhuǎn)化效果上完全可以勝任。

表7

表8

表9

3 總結(jié)

（1） 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用其他金屬元素來(lái)替代一部分起催化作用的貴重金屬元素制造混合金屬催化劑來(lái)降低催化劑生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低了起催化作用貴重金屬元素的消耗，至少?gòu)膶?duì)尾氣轉(zhuǎn)化的效果來(lái)看是行得通的，可以繼續(xù)研究下去。

（2） 以后實(shí)驗(yàn)的方向

這次實(shí)驗(yàn)只是在轉(zhuǎn)化率方面證實(shí)了混合金屬催化劑降低催化劑生產(chǎn)成本的可行性，以后的實(shí)驗(yàn)還需要從催化劑使用壽命這方面驗(yàn)證此種方法的可行性。