汽车催化剂研究进展

孙一凡

摘 要：汽车是现代生活必不可少的交通工具之一，但与此同时汽车尾气的排放也造成了非常严重的空气污染，使用良好的汽车尾气催化剂是解决污染的有效途径。本文将从催化剂载体、活性涂层和活性组分三个方面去介绍催化剂，从各个组成的原理、成分、优缺点等角度对每一種催化剂进行了系统的讨论，展望了催化剂应用的前景，着重的预测了未来催化剂的发展趋势，使得人们对于催化剂能有更好的了解。

关键词：催化剂；活性组分；载体；涂层

中图分类号：TQ426 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0228-02

1 背景概述

汽车作为现代社会最重要的交通工具之一，它的普及为人们的出行带来了极大的便利，但与此同时，也造成了非常严重的空气污染。以北京为例，大气污染中汽车尾气排放的氮氧化合物（NOx）、一氧化碳和碳氢化合物（CnHm）分别占据了64%、92%、51%， 由此可见，对于汽车尾气的治理刻不容缓。

汽车尾气所排放的三种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质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质，并会对臭氧层产生一定的破坏。

一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，是血红蛋白丧失携带氧的能力和作用，引起窒息。

碳氢化合物（HC）中一部分有一定的致癌性，在浓度高时容易诱发人体的畸变和癌变，还有些在阳光照射下会转化成次生污染物并产生有害的光化学烟雾，对于人体的许多器官有着刺激作用。同时像甲烷等物质也会造成大气的温室效应。

由于以上汽车尾气排放对于环境的诸多危害，政府以及各类机构也都已经开始进行对于尾气的处理净化研究。对于尾气的处理，可以由三个方面去研究。第一是去改变燃油的性质，增加或减少其中某些元素的含量，并使其能够更加充分地燃烧，从而达到减少污染的效果；第二是在尾气排出时对尾气进行催化净化处理，将其中的有害污染物转化为无害物质然后再排放到空气之中；第三是改变发动机的结构，使某些气体能更充分的燃烧从而变成无害的气体。从技术以及成本角度看，现如今第二种方法更为市场所接受，对于尾气的催化净化处理主要依靠在尾气排放口安放催化剂的方法进行，因此催化剂的研究发展对于大气污染的治理有着非常显著的效果。本文将从催化剂载体，催化剂活性涂层，催化剂活性组分的选择三个方面去进行论述，并在最后对于催化剂的发展前景有所展望。

2 催化剂组成成分的发展及反应机理

2.1 催化剂活性组分

活性组分是整个催化剂的核心。原理是依靠催化剂与污染物的配位反应进行吸附，进而对污染物进行集中、高效的反应转化为无害的物质排出。

催化剂根据反应的类别可以大致分为两类：

第一种氧化催化剂是比较早期的类型，它只能催化CO和HC两种物质，无法对NOx起到催化作用，逐渐被淘汰。第二种三效催化剂可以同时催化三种物质，是现在研究的重点。

2.1.1 氧化型催化剂

由于各国刚开始的法规只对于CO和HC的排放有所限制，所以开始的催化剂都是向着减少这两种物质的排放为目标的，已经不能适应现在的要求。当时活性组分大多是选择铜钴镍等较为普遍的金属进行催化，其中也可以将集中物质混合，形成Cu-Ni等复合型的催化剂，以达到更好的催化效果。由于这些金属储量丰富，成本低廉，受到了市场以及科研工作者的青睐。但由于其工作窗口小，高温下稳定性差，低温又容易发生中毒现象使其催化能力减弱，无法进行进一步的推广。

后来人们开始使用Pt和Pd为主要成分的贵金属催化剂，Pt-Pd催化剂可以避免大多数铜钴镍为主要物质的催化剂的问题，并且有着较高的催化活性，能够将CO和HC几乎全部转化完全，但无法催化NOx也是这种催化剂的缺陷。

2.1.2 三效催化剂

为了同时催化CO、HC、NOx三种物质，人们向催化剂中添加了对于NOx有着良好催化作用的Rh，从而做成了Pt-Pd-Rh为主要活性组分的三效催化剂。这种催化剂有着良好的机械强度、热稳定性以及催化活性，但与此同时，它也有着许多缺点，例如工作空间狭窄，只能在特定空燃比下才能进行高效的催化；高温下容易发生结块，影响催化剂的催化效果；容易受到P、Pb等影响发生催化剂中毒；由于储量较少，使得其使用的成本较高，大量使用会使得汽车的成本升高，价格提高，不利于市场的销售，并且长期供应还会导致资源的枯竭。

随着研究的深入，三效催化剂更新换代。首先是人们尝试尽量多的使用Pd去替代Pt、Rh的使用，从而达到降低成本的效果，但这样的做法会进一步降低催化剂的工作空间，缩小空燃比的限制范围，还更容易受到Pb的影响可能导致催化剂的大量中毒。其次人们引入了稀土金属作为汽车尾气的催化剂，发明了稀土复合氧化物催化剂。大多这类催化剂都会与以堇青石为主体的陶瓷蜂窝载体和γ-氧化铝涂层配合使用，从而大幅的增加催化剂的比表面积，提高催化活性。这种催化剂对于三种物质都有着良好的催化活性，对于HC和CO的催化效果尤为显著，能接近完全转化。相对于贵金属催化剂，它具有许多优势，例如具有良好的热稳定性，在高温下性质稳定；抗Pb等中毒的能力较强；我国储量较为丰富，成本较低。但其具有较强的吸附性，并且吸附后难以离开，会影响它的催化性能；其次它在低温条件以及高空速的条件下催化速率较慢，而且对于污染物浓度大的情况催化作用较小。但总而言之，稀土氧化物催化剂的综合性能是高于前两种催化剂的，有良好的发展前景。

2.2 催化剂载体

催化剂载体作为催化剂重要组成部分，可以起到固定催化剂活性部分、提供合适的孔结构、增大比表面积，防止活性部分高温下发生烧结等作用；也因此催化剂载体应具有高机械强度、良好的热稳定性、不含会使催化剂中毒的物质、合适的孔结构和比表面积以及材料易得、成本较低等特点。

2.2.1 γ-氧化铝

γ-氧化铝由于其机械强度大，制造简单，价格低廉，易于装填的特点，常用于早期的汽车上，但因为它密度大，并采用装填的方式，易导致汽车发动机排气阻力增大，背压增大，升高油耗，降低功率，逐渐被取代。

2.2.2 沸石分子筛

分子筛是结晶的硅铝酸盐，天然存在的称为沸石。它拥有比较均匀的孔结构，选用孔径大小不同的分子筛可以对催化反应起着选择性作用，它还具有比较大的内空间以及比较大的比表面积，有着良好的催化效果。

2.2.3 陶瓷蜂窝载体

这是一种较为新型的载体，其重要材料为堇青石（（Mg， Fe2+）2Al3 [AlSi5O18]·H2O），他具有反应空间大，热膨胀系数低，排气阻力小的特点，再加上堇青石资源丰富，易于获得，现普遍用于车辆当中。但由于这种载体的表面比较光滑，无法对催化剂活性组分进行有限的固定，因此需要在上面涂上催化剂活性涂层，但由于大多涂层与此载体的物理性质相差较大，难以完全契合，有时会导致催化剂失效的情况。

2.3 催化剂活性涂层

从以上的论述我们可以得知，部分催化剂与载体难以结合，此时就需要往载体上涂上活性涂层加以固定。其实大多数催化剂都需要涂有相应的活性涂层，涂层的使用一是起到载体的作用，二是也能起到提高催化剂催化效果的功能。但由于作为涂层与载体的物质不尽相同，存在有一定的物理性质上的差异，有时涂层会发生相变或结块从而降低催化剂的效果。因此，如何使得活性涂层与载体结合的更为紧密并且保证活性涂层在高温下的性质发生相对小的改变是研究的重点。

γ-氧化铝是现在科研以及市场上比较常用的活性涂层。由于具有合适的孔结构，大的比表面积以及较强的机械强度等优点，γ-氧化铝在高温下会与作为催化剂活性组分的Rh发生反应，生成没有活性的盐物质，还会自己转化为比表面积较小从而催化活性较低的α-氧化铝，因此如何保持γ-氧化铝在高温下的性质结构不发生改变是科研的重点。为了达到这种效果，科学家们常常向γ-氧化铝中加入Zn、Ba、Mg、La等稀土以及碱土金属的氧化物去降低它的结块几率，提高高温下涂层的稳定性。

3 汽车催化剂发展方向

（1）由于使用贵金属作为催化剂的成本较高，应继续发展价格较低、储量较大的稀土氧化物催化剂。

（2）由于现有催化剂对于S、Pb、P等物质的抗性都不高，易发生中毒现象，所以应发展对于S、P、Pb有着更好抗性的催化剂。

（3）因为大多数催化剂对于低温环境时的污染物催化效果较差，所以应进一步发展在低温条件下有着较好催化效果的催化剂。

参考文献

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