不同比例金铑催化剂气体转换效率对比实验

2020-10-21 12:43中汽认证中心有限公司芦海旭杨依仙

机械工业标准化与质量 2020年10期

中汽认证中心有限公司□芦海旭闫娜杨依仙

1 绪论

汽车已经成为人们生活中不可缺少的交通工具，但是任何事物都是一把双刃剑，汽车在给人们带来方便的同时，也带来了尾气污染的问题。通过催化剂来降低尾气排放，成为了现今处理汽车尾气污染问题的最主要解决方法。

随着汽车尾气排放标准的提高，三元催化器已经成为了汽车必不可少的一部分。这就带来了一个新的问题：用于制造金属催化剂的贵重金属价格逐渐升高，使得三元催化剂的价格也逐渐走高。在不影响催化效果的情况下，降低三元催化剂的生产成本，成为了一个重要的研究课题。

为了降低金属三元催化剂的成本，各国研究人员开始研究非金属材料的三元催化剂以及稀土复合金属氧化物三元催化剂。

主要的非金属三元催化剂有：CuO、TiO2、ZrO2、NiO 等，这些非金属三元催化剂虽然有一定的催化作用，但是作为催化剂主体使用，稳定性差、寿命短、起燃温度高（被催化气体转化50%时的温度）、热稳定性也不理想，所以不太实用。

主要稀土复合金属氧化物三元催化剂有氧化钴。氧化钴催化剂虽然可以降低成本，催化效果也不错，但是氧化钴本身对于人体健康有一定的危害。氧化钴可引起咽粘膜刺激症状，继而出现胃肠道刺激症状，可有呕吐和腹绞痛、体温升高、小腿无力等。非职业接触引起红细胞增多症、心肌病、甲状腺肿大、皮炎。这些潜在的健康危害，使它很难在汽车上大量使用。

非金属三元催化剂和稀土复合金属氧化物三元催化剂在实际使用中都存在一定问题，所以，在原有金属催化剂的基础上想办法降低成本，就成为了一种新的思路。

2 金铑催化剂气体转化效率实验

（1）实验设计

要证明用便宜金属替代起催化作用的贵重金属来降低成本的可行性，需要测试不同比例混合金属催化剂的催化效果。这里选择测试催化剂好坏最重要的标准——对气体不同温度下和同温下不同λ 值的转化效率。如果转化效率没有降低，催化能力基本相同。然后通过对比混合金属催化剂和纯金属催化剂在一辆汽车上的成本，就可以得出使用部分替代金属的催化可否降低成本。本次实验我们选择了三种不同比例的金铑混合催化剂，使用三效催化装置测试三种催化剂的转化效果。

（2）三效催化实验原理

当模拟尾气通过三元催化装置时，将增强CO、HC 和NOX三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO 在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC 化合物在高温下氧化成水（H2O）和二氧化碳；NOX还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体。

通过收集不同温度下催化后尾气中CO、HC 和NOX三种气体的含量，可以知道催化剂的催化效果。

（3）实验装置及药品

1）实验装置

实验装置有：三效催化评价装置（包括气体流量计、电加热套、温度控制装置、气体成分分析仪）、压力计、40 目和 60 目的筛网、质量秤、压片模具、研钵中杵、实验试管。

2）实验药品

实验药品有：Au:Rh=1:3、Au:Rh=1:1、Au:Rh=3:1（催化剂载体均为氧化铝）。

（4）实验步骤

实验步骤主要分为三部分：催化剂压片、催化剂装管、催化剂催化效果评价。

1）压片阶段

催化剂压片是为了保证测试催化剂有相同的接触面积，消除接触面积不同对催化剂效果的影响。具体步骤：

a）将催化剂样品放入压片模具中、厚度为1 到 2 毫米；

b）将模具放入压力机上，施加 10 到 15 个大气压持续30 秒；

c）将压片从模具中倒到筛网上，筛网自上而下放置顺序为40 目筛网、60 目筛网、筛网托盘；

d）用杵将压片捣碎，使其完全漏过40 目筛网，然后对60 目筛网上的样品进行称量，托盘中的样品可以继续用于压片；

e）称出0.2g 压好的样品进行实验。

2）装管阶段

装管阶段的具体步骤：

a）清洗试管并烘干；

b）试管底部放入石英棉，防止药品堵塞试管；

c）依次放入 5g 石英砂、催化剂与 3.5g 石英砂混合物、5g 石英砂，每层药品之间用石英棉隔开，最上层石英砂上同样用石英棉堵住。

3）实验阶段

实验阶段的具体步骤：

a）将试管放入电加热套中，接上进、排气管，顶端塞上带有测量温度装置的软木塞；

b）打开气体成分分析仪、气体流量计、温度控制装置；

c）打开六种实验气体（CO、HC、NOX、氧气、氢气、氮气）钢瓶（钢瓶压力调节到0.1到0.2 之间），调节气体流量计到规定数值；

d）打开通气开关，待气体成分分析仪中数值稳定后，记入实验数据表中RT 一行；

e）调节温度控制装置，并打开加热开关：第一次升温从室温到100℃，每分钟升5℃。然后每次升温20℃，每分钟2.5℃（20℃在8 分钟之内升完）。每次温度达到测量温度时稳定一会儿记入实验数据表中；

f）将数据整理并作图，实验装置示意图见图1。

图1

（5）实验结果

1）实验原始数据

a）三种不同比例催化剂在不同温度下对CO、HC、NOX的催化效果见表1。

b）三种不同比例催化剂在不同温度下对CO、HC、NOX的转化率见表2。

表1

表2

从表1、表2 中的实验数据可以清楚的看出，三种催化剂在反应温度达到150℃左右时，混合气体中CO 的含量急剧降低；在反应温度达到160℃时，几乎将CO 气体完全净化掉；在反应温度达到420℃时，CO 的含量都有不同程度的回升。

HC 气体在实验中与其他两种气体有很大的区别：首先HC 气体的反应速度比较缓慢，不像CO 气体和NOX气体在150℃到160℃之间会急速净化干净。三种不同催化剂转化HC 气体能力，更易受到催化剂中铑金属含量的影响。金铑比例3:1 的催化剂甚至不能将HC 气体完全净化掉。

与CO 气体相同，在不同温度下，三种催化剂对NOX气体的催化效果几乎也是一样的。在150℃时，NOX气体开始大量减少，并且在160℃时NOX气体基本被完全净化掉。但是铑金属含量较高的催化剂在对NOX气体的转化效果更强一些。

c）三种不同比例催化剂在不同λ 值下对CO、HC、NOX的催化效果见表3。

d）三种不同比例催化剂在不同λ 值下对CO、HC、NOX的转化率见表4。

2）实验分析

a）不同温度下转化效果分析

从实验数据中可以看出，随着铑元素所占比例的减小，催化剂的转化效果也有小幅度的降低。但是在最后反应温度420℃的时候，三种有害气体的转化率都很高，表5 为三种比例催化剂在温度为420℃时气体转化率。

对催化过程起燃温度（转化到50%时的温度）到最佳温度（转化达到90%时的温度）进行分析，表6 为三种不同催化剂对CO 气体催化的起燃温度和最佳温度；表7 为三种不同催化剂对HC 气体催化的起燃温度和最佳温度；表8 为三种不同催化剂对NOX气体催化的起燃温度和最佳温度。从起燃温度到达最佳温度时的温度差也基本相同，说明了催化剂中金元素替代铑元素对催化剂转化效果没有太大影响。