汽车尾气净化催化剂及载体发展现状

摘 要：汽车的尾气中含有大量的污染物，危害着人类的健康和大气的安全。采用汽车尾气净化催化装置可以有效地降低污染物的排放。尾气净化催化装置由净化催化剂和其载体组成，这两部分相互协作共同发挥作用。本文详述了汽车尾气净化催化剂及其载体的发展现状，探讨了其存在的问题，并对未来进行了展望。

关键词：尾气净化；三元催化剂；催化剂载体；汽车尾气

随着环保意识的提高，各国都普遍开始重视汽车尾气的治理，而在汽车尾气治理上目前应用比较多的是采用尾气净化催化装置。在尾气净化催化的研究中，我国起步较晚研究还不够深入，相关标准的制定比较落后。但目前我国对环保的重视程度越来越高，对排放的要求也越来越严格开发高效的汽车尾气净化催化装置势在必行。汽车尾气净化催化器一般由两部分组成，一部分是尾气净化催化剂其起到催化尾气发生化学反应，从而净化尾气的目的；另一部分是催化剂载体，其作用是使催化剂具有更加合适的形状和必要的强度，这两者对汽车尾气净化的效果影响都十分巨大缺一不可。

一、汽车尾气的主要污染物

汽车尾气由一百多种物质组成其主要污染物有：一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、碳氢化合物（HC）、微粒、甲醛（HCHO）等，这些污染物严重影响着空气质量和居民的身体健康。

二、汽车尾气净化催化剂

第一代汽车尾气净化催化剂的原理是催化尾气中的一氧化碳和碳氢化合物与氧气反应，生成对空气没有污染的二氧化碳和水，被称为氧化催化剂，由于其只对一氧化碳和碳氢化合物起作用也被称为“两效催化剂”。但是，随着环保标准的提高对汽车尾气中的氮氧化合物的排放也提出了新的要求，这时能够同时降低氮氧化合物排放的“三效催化剂”应运而生。“三效催化剂”是目前汽车危机净化催化剂的主流技术，其发展经历了三个阶段。第一个阶段是采用金属铂（Pt）和铑（Rh）作为催化剂，但是这种催化装置需要消耗大量的铂和铑，而这两重金属的价格昂贵且易铅中毒。第二个阶段是采用钯（Pd）来部分替代铂和铑，制造合金催化剂来降低成本。第三个阶段是单钯催化剂。“三效催化剂”已经应用了三十年，历经了三代技术但是目前在使用中仍然面临受空燃比影响较大、容易失活等问题。

目前应用的汽车尾气净化催化剂一般根据其成分不同分成贵金属型催化剂、非贵金属型催化剂和单钯催化剂三种。这三种催化剂的基本原理都是利用汽车尾气中既有还原性气体一氧化碳、碳氢化合物，又有氧化性气体氧气、氮氧化合物的特点，催化这些物质再加上水发生反应，生成对人体和大气无害的水、二氧化碳、氮气。1）贵金属型催化剂。贵金属催化一氧化碳发生氧化反应的效果都比较好，但是在催化碳氢化合物发生氧化反应中只有铂和钯具有较好的效果，在催化氮氧化合物转化的中铑具有较好的效果。所以这三种金属是目前催化剂中最常用的。

在这三种金属中铂能够良好的催化一氧化碳和碳氮化合物发生氧化反应，同时当环境中有氢气（尾气中的水蒸气发生转化反应的产物）时对氮氧化合物的转化也有一定的催化效果。铑是催化氮氧化合物发生还原反应控制氮氧化合物的主要成分。而钯对一氧化碳和碳氢化合物也有良好的催化效果，且其价格相对较低，耐热性好，加入金属钯可以有效地降低成本提高寿命。在实际应用中，这三种物质并不是单独发挥作用，而是协同催化，恰当的比例和设计对整体催化效果影响十分显著。

贵金属型催化剂有良好的催化效果，但是也有其不足之处：首先，贵金属价格都比较昂贵，这就导致贵金属型催化剂成本较高；其次，金属在高温下其组织会发生变化，催化能力大大降低；最后，贵金属容易受到尾气中铅、硫等腐蚀降低其催化能力。

2）非贵金属型催化剂。由于贵金属价格昂贵，所以出于降低成本的目的，学者们热衷于研究非贵金属催化剂，并成功研发了ABO3型钙钛矿结构复合氧化物等多種催化剂。但是这些催化剂在催化效果、抗中毒和腐蚀能力以及空燃比特性等方面均与贵金属型催化剂有较大差距。

目前对于非贵金属性催化剂的研究主要集中在将贵金属与钙钛矿型化合物结合方面。采用贵金属和钙钛矿型化合物结合，可以减少贵金属的使用量，防止贵金属在高温下晶体结构发生变化，同时能够显著提高钙钛矿型化合物的催化效果。如：日本的大发工业株式会社运用纳米技术将铑、铂、钯按一定的排列规律加入到钙钛矿型晶体中。其催化效果与贵金属型催化剂基本相同，但是贵金属的用量降低了四分之三。

3）单钯催化剂。单钯催化剂中应用比较广泛的是稀土含钯催化剂。单钯催化剂中加入了稀土金属、碱土金属和过度金属的氧化物作为助剂，改善了催化剂的低温催化能力、空燃比特性，提高高温稳定性和使用寿命，同时能够减少贵金属的使用量，降低制造成本。

三、汽车尾气净化催化剂载体

催化剂载体的性能严重影响催化效果和催化剂的使用寿命，良好的催化剂载体应该有较高的机械强度、较好的耐热性、适当地孔隙结构、良好的导热性、较大的比表面积、不与催化剂发生反应和较低的成本等特点。催化剂载体一般有陶瓷和金属两种材料，而结构形式上一般有颗粒型、蜂窝状以及硅碳泡沫陶瓷型三种。

1）颗粒型载体。最初的催化剂载体均采用颗粒型，其是由直径在3～4毫米的活性氧化铝球状物堆积而成，催化剂附着于氧化铝小球的表面。这种载体的优点是比表面积大、机械强度高、成本较低。但是这种结构会增大排气阻力，使发动机功率下降、油耗上升，而且容易在高温气流的冲击下粉碎化。目前，颗粒型载体已经被淘汰。

2）蜂窝状载体。蜂窝状载体的排气阻力只有颗粒型的二十分之一，且高温性能好、比表面积大因此得到了广泛应用。最初的蜂窝状载体均采用陶瓷材料，但是近些年随着技术的进步也出现了性能更加优良的金属蜂窝状载体。

金属蜂窝状载体与陶瓷相比具有开孔率高、比表面积大、导热性好、热容量低、机械强度高等优点。但是，由于金属载体研究时间比较短还有高温抗氧化性差和成本高等问题。

3）硅碳泡沫陶瓷载体。

温度对催化效果影响很大，而前述几种形式的载体都无法解决对载体进行电加热的问题，硅碳泡沫陶瓷载体应运而生。其最大的特点是可以利用电加热快速提高尾气温度，改善催化效果。

四、总结与展望

环境保护的重视程度越来越高，汽车排放的法规也越来越严格，汽车尾气净化催化装置必将成为研究的热点。未来一段时间内，必将有越来越多的高效新型催化剂和性能更加优异的载体出现，为全人类的健康做出贡献。

参考文献：

[1]赵秋伶，徐小健，蔡秀琴.汽车尾气净化催化剂及载体的研究进展[J].广州化工，2009，38（8）：15-18.

[2]张忠金，关磊.汽车尾气净化催化剂及载体的研究进展[J].化工新型材料，2015，43（4）：21-23.

作者简介：黄国龙（1994-），男，安徽阜阳人，潍坊科技学院2014级车辆工程专业学生；闫倩倩（1996-），女，山东临沂人，潍坊科技学院2014级车辆工程专业学生。

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