納米材料在汽車尾氣處理方面的應用研究

付曉彤

（武城縣第二中學，山東 德州 253000）

引言

在當今生產生活中，汽車扮演著不可或缺的重要角色，產銷量每年都是遞增的。但尾氣排放對環境的影響也日益嚴重，尤其是在重視環保的今天，如何提高尾氣處理水平變得日益迫切。目前凈化尾氣的方法主要有兩種，一種是通過優化發動機的結構，使燃料燃燒得更加充分或者對廢氣進行循環再利用，提高尾氣凈化水平；另一種是采用催化劑對尾氣進行處理，比如以前國內外普遍使用的是三元催化劑催化法凈化尾氣。隨著技術的不斷進步，國內外開始研究采用納米催化劑對尾氣進行處理。納米催化劑具有粒徑較小、分散比較均勻等優點，對尾氣中的CO、HC 以及NOx的轉化都有較好的促進作用，所以擁有良好的凈化效果。

1 汽車尾氣凈化裝置

1.1 汽車排氣系統組成

汽車排氣系統主要由以下幾部分組成：先是排氣歧管，其后是前置管和三元催化凈化器，消聲器和排氣尾管則布置在凈化器的后端。汽車尾氣中的包括CO、HC以及NOx等有害物質，是通過在三元催化凈化器中的催化劑的作用，通過反應生成CO2、H2O和N2，所以這種催化方法稱為三元催化法。

1.2 三元催化凈化器載體

載體、涂層、減振層和殼體等是三元催化凈化器的主要組成部分。三元催化凈化器的載體主要有顆粒載體、陶瓷蜂窩載體和金屬蜂窩載體三種。由于凈化器的位置在排氣歧管之后，所以工作溫度變化很大，工作時低溫即可達到200oC，高溫甚至可以達到900oC，這就要求載體具有極高的穩定性。最初應用較多的是顆粒載體，其優點比較多，例如比表面積比較大、機械強度較高、成本較低。但排氣時，這種顆粒狀結構會增大阻力，引起發動機的功率下降、油耗明顯上升，并且在高溫工況下，由于會受到氣流的沖擊而粉碎，所以穩定性較差，逐漸被目前廣泛使用的陶瓷蜂窩載體所替代。催化劑載體之所以做成蜂窩狀，主要是為了擴大催化面積。陶瓷蜂窩載體的優點主要是阻力和熱膨脹系數都較小，但金屬蜂窩載體的幾何表面積更大，催化劑更容易被吸附在其表面，并且更容易和殼體匹配，所以研究人員開始逐漸重視金屬蜂窩載體的研發和應用。但金屬載體研究時間不長，還有一些問題待解決。凈化器最外層是殼體，主要起到保護的作用，其材料一般為不銹鋼。

2 納米載體涂層材料的應用

蜂窩載體表面一般要涂覆一層均勻的涂層，目的是提供更大的比表面積，使更多的催化劑活性組分能夠負載在其表面。目前汽車行業常用的涂層材料是 Al2O3，其優點是化學穩定性好，不容易和其他物質發生反應，同時價格較低。但其缺點也比較明顯，比如高溫時由于其熱膨脹系數與載體不同，所以載體上及涂層之間的結合緊密程度會受到很大影響，可能會導致涂層的剝離，其負載的催化劑活性組分也會跟著分離。所以必須對加工工藝和參數進行調整和優化，盡可能減少脫落概率。對于金屬蜂窩載體來說，其基體與涂層材料的物理性質差別非常大，所以由于結合強度比較低更容易脫落，雖然國內外研究有所進展，但推廣前景仍然不甚明朗。浸涂法是使用較多的涂層涂覆方法，除此之外，預涂覆法和溶膠-凝膠法等也是應用比較多的方法。

經實驗研究發現，可以將 Al2O3制成納米級，從而可以使其比表面積增加，孔容率變大，表面活性中心增多，涂層負載量也可以獲得較大提升，同時可以使催化劑的催化效率和催化的穩定性有所改善。使用納米級 Al2O3，由于貴金屬和助劑的表面吸附能力很強、分散度較高，可以有效防止納米粒子的長大和燒結，從而可以減少催化劑中的貴金屬的用量，同時也使得其使用壽命獲得延長。因為納米級粉體的氧化還原能力特別強，所以汽車尾氣中 CO 和 NOx的排放情況得以改觀。因此，納米級 Al2O3是尾氣凈化催化劑的非常理想的載體。

3 納米汽車尾氣催化劑的應用

催化劑由活性組分和助劑等組成。在控制汽車尾氣污染方面，以貴金屬 Pt，Rh，Pd作為活性組分的三效汽車尾氣催化劑應用很廣，因為三效催化劑的熱穩定性比較好，另外，其活性、選擇性及機械強度都較高，所以在汽車尾氣催化劑應用方面占有絕對優勢。在這三種貴金屬中，為了解決NOx如何在高溫下被還原成N2的問題，Rh被應用于催化劑活性組分中；另外，如何處理尾氣中的CO，HC，Pd作為重要的活性組分得到應用；Pt的作用是氧化CO和HC，同時對NO也具有一定的還原能力，如果CO的濃度比較高，或者其中有SO2時，使用Rh其效果會更好。貴金屬催化劑的應用也有其局限性，比如其受空燃比的影響比較大，貴金屬在高溫工況下，組織會產生明顯變化，從而導致其催化能力降低；另外，尾氣中含有鉛、硫等元素，會對貴金屬產生較大的腐蝕作用，從而使得其催化能力受到很大影響；再有，貴金屬的高溫性能也有待提高，并且貴金屬價格比較貴，導致其使用成本較高。因此，各個研究機構開始對如何改進催化劑的成分或減少貴金屬的用量開展研究。

近年來，催化劑的比表面積的提高、熱穩定性的提升、活性如何增強等問題已經成為研究熱點。通過研究發現，如果溫度降低，那么催化活性就會升高；經研究表明，貴金屬的粒徑和其催化活性的提升是成反比的。所以為了使納米尺寸得到保障，并在合理的范圍之內，可以將其分散負載到具有納米 Al2O3涂層的載體上，在涂層中加入助劑，在涂層中也可以加入一些其他貴金屬，增強載體的穩定性，從而保證最佳的催化效果。

納米 CeO2被當做重要的助劑來使用，其各種化學活性能都較好，Pt，Pd，Ru等貴金屬是其經常組合使用的對象，以提高催化效果。另外，Ba、La、Zr等也是有此等功效，經過以上這些化學助劑的使用，Al2O3的熱穩定性得到了有效保障，同時可以減少比表面積的損失，并且可以使貴金屬分散度得到提升，防止貴金屬聚集，影響催化效果。

研究表明，納米催化劑可以消耗較少貴金屬，而其催化效果卻與傳統催化劑相當，甚至更好。如果將納米催化劑替代傳統催化劑，應用于汽車市場，那么可以使排放要求得到滿足的同時，使用成本卻可以降低15%左右。同時也能更有效地降低尾氣中的CO、HC 以及NOx等有害物質的排放，保護環境，減小污染。

4 結論

在汽車尾氣催化劑領域，納米材料由于其比表面積大，很高的化學活性，利用其制成的催化劑粒徑比較小、在載體上分散均勻，所以可以產生良好的尾氣凈化效果。因此得到了科研及生產企業的極大重視和應用。但是，由于納米材料的生產要求很高的技術儲備，其耐熱穩定性的控制也是一個難題，再者貴金屬的成本較高，這些都是亟待解決的問題，所以限制了其發展。但相對于傳統催化劑來說，納米催化劑具有不可比擬的優越性，隨著研究的不斷深入，必將有性能更加優異的納米催化劑投入使用，大大提升汽車尾氣凈化效果。