汽車尾氣凈化催化劑及載體發展現狀

黃國龍 閆倩倩

摘 要：汽車的尾氣中含有大量的污染物，危害著人類的健康和大氣的安全。采用汽車尾氣凈化催化裝置可以有效地降低污染物的排放。尾氣凈化催化裝置由凈化催化劑和其載體組成，這兩部分相互協作共同發揮作用。本文詳述了汽車尾氣凈化催化劑及其載體的發展現狀，探討了其存在的問題，并對未來進行了展望。

關鍵詞：尾氣凈化；三元催化劑；催化劑載體；汽車尾氣

隨著環保意識的提高，各國都普遍開始重視汽車尾氣的治理，而在汽車尾氣治理上目前應用比較多的是采用尾氣凈化催化裝置。在尾氣凈化催化的研究中，我國起步較晚研究還不夠深入，相關標準的制定比較落后。但目前我國對環保的重視程度越來越高，對排放的要求也越來越嚴格開發高效的汽車尾氣凈化催化裝置勢在必行。汽車尾氣凈化催化器一般由兩部分組成，一部分是尾氣凈化催化劑其起到催化尾氣發生化學反應，從而凈化尾氣的目的；另一部分是催化劑載體，其作用是使催化劑具有更加合適的形狀和必要的強度，這兩者對汽車尾氣凈化的效果影響都十分巨大缺一不可。

一、汽車尾氣的主要污染物

汽車尾氣由一百多種物質組成其主要污染物有：一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、碳氫化合物（HC）、微粒、甲醛（HCHO）等，這些污染物嚴重影響著空氣質量和居民的身體健康。

二、汽車尾氣凈化催化劑

第一代汽車尾氣凈化催化劑的原理是催化尾氣中的一氧化碳和碳氫化合物與氧氣反應，生成對空氣沒有污染的二氧化碳和水，被稱為氧化催化劑，由于其只對一氧化碳和碳氫化合物起作用也被稱為“兩效催化劑”。但是，隨著環保標準的提高對汽車尾氣中的氮氧化合物的排放也提出了新的要求，這時能夠同時降低氮氧化合物排放的“三效催化劑”應運而生。“三效催化劑”是目前汽車危機凈化催化劑的主流技術，其發展經歷了三個階段。第一個階段是采用金屬鉑（Pt）和銠（Rh）作為催化劑，但是這種催化裝置需要消耗大量的鉑和銠，而這兩重金屬的價格昂貴且易鉛中毒。第二個階段是采用鈀（Pd）來部分替代鉑和銠，制造合金催化劑來降低成本。第三個階段是單鈀催化劑。“三效催化劑”已經應用了三十年，歷經了三代技術但是目前在使用中仍然面臨受空燃比影響較大、容易失活等問題。

目前應用的汽車尾氣凈化催化劑一般根據其成分不同分成貴金屬型催化劑、非貴金屬型催化劑和單鈀催化劑三種。這三種催化劑的基本原理都是利用汽車尾氣中既有還原性氣體一氧化碳、碳氫化合物，又有氧化性氣體氧氣、氮氧化合物的特點，催化這些物質再加上水發生反應，生成對人體和大氣無害的水、二氧化碳、氮氣。1）貴金屬型催化劑。貴金屬催化一氧化碳發生氧化反應的效果都比較好，但是在催化碳氫化合物發生氧化反應中只有鉑和鈀具有較好的效果，在催化氮氧化合物轉化的中銠具有較好的效果。所以這三種金屬是目前催化劑中最常用的。

在這三種金屬中鉑能夠良好的催化一氧化碳和碳氮化合物發生氧化反應，同時當環境中有氫氣（尾氣中的水蒸氣發生轉化反應的產物）時對氮氧化合物的轉化也有一定的催化效果。銠是催化氮氧化合物發生還原反應控制氮氧化合物的主要成分。而鈀對一氧化碳和碳氫化合物也有良好的催化效果，且其價格相對較低，耐熱性好，加入金屬鈀可以有效地降低成本提高壽命。在實際應用中，這三種物質并不是單獨發揮作用，而是協同催化，恰當的比例和設計對整體催化效果影響十分顯著。

貴金屬型催化劑有良好的催化效果，但是也有其不足之處：首先，貴金屬價格都比較昂貴，這就導致貴金屬型催化劑成本較高；其次，金屬在高溫下其組織會發生變化，催化能力大大降低；最后，貴金屬容易受到尾氣中鉛、硫等腐蝕降低其催化能力。

2）非貴金屬型催化劑。由于貴金屬價格昂貴，所以出于降低成本的目的，學者們熱衷于研究非貴金屬催化劑，并成功研發了ABO3型鈣鈦礦結構復合氧化物等多種催化劑。但是這些催化劑在催化效果、抗中毒和腐蝕能力以及空燃比特性等方面均與貴金屬型催化劑有較大差距。

目前對于非貴金屬性催化劑的研究主要集中在將貴金屬與鈣鈦礦型化合物結合方面。采用貴金屬和鈣鈦礦型化合物結合，可以減少貴金屬的使用量，防止貴金屬在高溫下晶體結構發生變化，同時能夠顯著提高鈣鈦礦型化合物的催化效果。如：日本的大發工業株式會社運用納米技術將銠、鉑、鈀按一定的排列規律加入到鈣鈦礦型晶體中。其催化效果與貴金屬型催化劑基本相同，但是貴金屬的用量降低了四分之三。

3）單鈀催化劑。單鈀催化劑中應用比較廣泛的是稀土含鈀催化劑。單鈀催化劑中加入了稀土金屬、堿土金屬和過度金屬的氧化物作為助劑，改善了催化劑的低溫催化能力、空燃比特性，提高高溫穩定性和使用壽命，同時能夠減少貴金屬的使用量，降低制造成本。

三、汽車尾氣凈化催化劑載體

催化劑載體的性能嚴重影響催化效果和催化劑的使用壽命，良好的催化劑載體應該有較高的機械強度、較好的耐熱性、適當地孔隙結構、良好的導熱性、較大的比表面積、不與催化劑發生反應和較低的成本等特點。催化劑載體一般有陶瓷和金屬兩種材料，而結構形式上一般有顆粒型、蜂窩狀以及硅碳泡沫陶瓷型三種。

1）顆粒型載體。最初的催化劑載體均采用顆粒型，其是由直徑在3～4毫米的活性氧化鋁球狀物堆積而成，催化劑附著于氧化鋁小球的表面。這種載體的優點是比表面積大、機械強度高、成本較低。但是這種結構會增大排氣阻力，使發動機功率下降、油耗上升，而且容易在高溫氣流的沖擊下粉碎化。目前，顆粒型載體已經被淘汰。

2）蜂窩狀載體。蜂窩狀載體的排氣阻力只有顆粒型的二十分之一，且高溫性能好、比表面積大因此得到了廣泛應用。最初的蜂窩狀載體均采用陶瓷材料，但是近些年隨著技術的進步也出現了性能更加優良的金屬蜂窩狀載體。

金屬蜂窩狀載體與陶瓷相比具有開孔率高、比表面積大、導熱性好、熱容量低、機械強度高等優點。但是，由于金屬載體研究時間比較短還有高溫抗氧化性差和成本高等問題。

3）硅碳泡沫陶瓷載體。

溫度對催化效果影響很大，而前述幾種形式的載體都無法解決對載體進行電加熱的問題，硅碳泡沫陶瓷載體應運而生。其最大的特點是可以利用電加熱快速提高尾氣溫度，改善催化效果。

四、總結與展望

環境保護的重視程度越來越高，汽車排放的法規也越來越嚴格，汽車尾氣凈化催化裝置必將成為研究的熱點。未來一段時間內，必將有越來越多的高效新型催化劑和性能更加優異的載體出現，為全人類的健康做出貢獻。

參考文獻：

[1]趙秋伶，徐小健，蔡秀琴.汽車尾氣凈化催化劑及載體的研究進展[J].廣州化工，2009，38（8）：15-18.

[2]張忠金，關磊.汽車尾氣凈化催化劑及載體的研究進展[J].化工新型材料，2015，43（4）：21-23.

作者簡介：黃國龍（1994-），男，安徽阜陽人，濰坊科技學院2014級車輛工程專業學生；閆倩倩（1996-），女，山東臨沂人，濰坊科技學院2014級車輛工程專業學生。