纳米材料在汽车尾气处理方面的应用研究

付晓彤

（武城县第二中学，山东 德州 253000）

引言

在当今生产生活中，汽车扮演着不可或缺的重要角色，产销量每年都是递增的。但尾气排放对环境的影响也日益严重，尤其是在重视环保的今天，如何提高尾气处理水平变得日益迫切。目前净化尾气的方法主要有两种，一种是通过优化发动机的结构，使燃料燃烧得更加充分或者对废气进行循环再利用，提高尾气净化水平；另一种是采用催化剂对尾气进行处理，比如以前国内外普遍使用的是三元催化剂催化法净化尾气。随着技术的不断进步，国内外开始研究采用纳米催化剂对尾气进行处理。纳米催化剂具有粒径较小、分散比较均匀等优点，对尾气中的CO、HC 以及NOx的转化都有较好的促进作用，所以拥有良好的净化效果。

1 汽车尾气净化装置

1.1 汽车排气系统组成

汽车排气系统主要由以下几部分组成：先是排气歧管，其后是前置管和三元催化净化器，消声器和排气尾管则布置在净化器的后端。汽车尾气中的包括CO、HC以及NOx等有害物质，是通过在三元催化净化器中的催化剂的作用，通过反应生成CO2、H2O和N2，所以这种催化方法称为三元催化法。

1.2 三元催化净化器载体

载体、涂层、减振层和壳体等是三元催化净化器的主要组成部分。三元催化净化器的载体主要有颗粒载体、陶瓷蜂窝载体和金属蜂窝载体三种。由于净化器的位置在排气歧管之后，所以工作温度变化很大，工作时低温即可达到200oC，高温甚至可以达到900oC，这就要求载体具有极高的稳定性。最初应用较多的是颗粒载体，其优点比较多，例如比表面积比较大、机械强度较高、成本较低。但排气时，这种颗粒状结构会增大阻力，引起发动机的功率下降、油耗明显上升，并且在高温工况下，由于会受到气流的冲击而粉碎，所以稳定性较差，逐渐被目前广泛使用的陶瓷蜂窝载体所替代。催化剂载体之所以做成蜂窝状，主要是为了扩大催化面积。陶瓷蜂窝载体的优点主要是阻力和热膨胀系数都较小，但金属蜂窝载体的几何表面积更大，催化剂更容易被吸附在其表面，并且更容易和壳体匹配，所以研究人员开始逐渐重视金属蜂窝载体的研发和应用。但金属载体研究时间不长，还有一些问题待解决。净化器最外层是壳体，主要起到保护的作用，其材料一般为不锈钢。

2 纳米载体涂层材料的应用

蜂窝载体表面一般要涂覆一层均匀的涂层，目的是提供更大的比表面积，使更多的催化剂活性组分能够负载在其表面。目前汽车行业常用的涂层材料是 Al2O3，其优点是化学稳定性好，不容易和其他物质发生反应，同时价格较低。但其缺点也比较明显，比如高温时由于其热膨胀系数与载体不同，所以载体上及涂层之间的结合紧密程度会受到很大影响，可能会导致涂层的剥离，其负载的催化剂活性组分也会跟着分离。所以必须对加工工艺和参数进行调整和优化，尽可能减少脱落概率。对于金属蜂窝载体来说，其基体与涂层材料的物理性质差别非常大，所以由于结合强度比较低更容易脱落，虽然国内外研究有所进展，但推广前景仍然不甚明朗。浸涂法是使用较多的涂层涂覆方法，除此之外，预涂覆法和溶胶-凝胶法等也是应用比较多的方法。

经实验研究发现，可以将 Al2O3制成纳米级，从而可以使其比表面积增加，孔容率变大，表面活性中心增多，涂层负载量也可以获得较大提升，同时可以使催化剂的催化效率和催化的稳定性有所改善。使用纳米级 Al2O3，由于贵金属和助剂的表面吸附能力很强、分散度较高，可以有效防止纳米粒子的长大和烧结，从而可以减少催化剂中的贵金属的用量，同时也使得其使用寿命获得延长。因为纳米级粉体的氧化还原能力特别强，所以汽车尾气中 CO 和 NOx的排放情况得以改观。因此，纳米级 Al2O3是尾气净化催化剂的非常理想的载体。

3 纳米汽车尾气催化剂的应用

催化剂由活性组分和助剂等组成。在控制汽车尾气污染方面，以贵金属 Pt，Rh，Pd作为活性组分的三效汽车尾气催化剂应用很广，因为三效催化剂的热稳定性比较好，另外，其活性、选择性及机械强度都较高，所以在汽车尾气催化剂应用方面占有绝对优势。在这三种贵金属中，为了解决NOx如何在高温下被还原成N2的问题，Rh被应用于催化剂活性组分中；另外，如何处理尾气中的CO，HC，Pd作为重要的活性组分得到应用；Pt的作用是氧化CO和HC，同时对NO也具有一定的还原能力，如果CO的浓度比较高，或者其中有SO2时，使用Rh其效果会更好。贵金属催化剂的应用也有其局限性，比如其受空燃比的影响比较大，贵金属在高温工况下，组织会产生明显变化，从而导致其催化能力降低；另外，尾气中含有铅、硫等元素，会对贵金属产生较大的腐蚀作用，从而使得其催化能力受到很大影响；再有，贵金属的高温性能也有待提高，并且贵金属价格比较贵，导致其使用成本较高。因此，各个研究机构开始对如何改进催化剂的成分或减少贵金属的用量开展研究。

近年来，催化剂的比表面积的提高、热稳定性的提升、活性如何增强等问题已经成为研究热点。通过研究发现，如果温度降低，那么催化活性就会升高；经研究表明，贵金属的粒径和其催化活性的提升是成反比的。所以为了使纳米尺寸得到保障，并在合理的范围之内，可以将其分散负载到具有纳米 Al2O3涂层的载体上，在涂层中加入助剂，在涂层中也可以加入一些其他贵金属，增强载体的稳定性，从而保证最佳的催化效果。

纳米 CeO2被当做重要的助剂来使用，其各种化学活性能都较好，Pt，Pd，Ru等贵金属是其经常组合使用的对象，以提高催化效果。另外，Ba、La、Zr等也是有此等功效，经过以上这些化学助剂的使用，Al2O3的热稳定性得到了有效保障，同时可以减少比表面积的损失，并且可以使贵金属分散度得到提升，防止贵金属聚集，影响催化效果。

研究表明，纳米催化剂可以消耗较少贵金属，而其催化效果却与传统催化剂相当，甚至更好。如果将纳米催化剂替代传统催化剂，应用于汽车市场，那么可以使排放要求得到满足的同时，使用成本却可以降低15%左右。同时也能更有效地降低尾气中的CO、HC 以及NOx等有害物质的排放，保护环境，减小污染。

4 结论

在汽车尾气催化剂领域，纳米材料由于其比表面积大，很高的化学活性，利用其制成的催化剂粒径比较小、在载体上分散均匀，所以可以产生良好的尾气净化效果。因此得到了科研及生产企业的极大重视和应用。但是，由于纳米材料的生产要求很高的技术储备，其耐热稳定性的控制也是一个难题，再者贵金属的成本较高，这些都是亟待解决的问题，所以限制了其发展。但相对于传统催化剂来说，纳米催化剂具有不可比拟的优越性，随着研究的不断深入，必将有性能更加优异的纳米催化剂投入使用，大大提升汽车尾气净化效果。