唐磊，熊新，李曉軍，蔣益，任志遠(yuǎn)

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

汽車尾氣凈化催化劑的載體研究綜述

唐磊，熊新，李曉軍，蔣益，任志遠(yuǎn)

（鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，全球汽車的擁有量也在逐年的增加?，F(xiàn)如今，控制汽車尾氣污染物的排放已成為當(dāng)前社會(huì)急需解決的問(wèn)題。文章主要介紹了催化劑載體的特點(diǎn)、催化劑載體的種類，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及特點(diǎn)。并且對(duì)未來(lái)的研究開(kāi)發(fā)方向提出了意見(jiàn)。

顆粒狀載體；蜂窩狀載體；載體材料

CLC NO.:U473Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-15-03

引言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車數(shù)量逐步增加。雖然汽車給我們帶來(lái)了極大的便利，但是伴著而來(lái)的是尾氣排放的嚴(yán)重問(wèn)題。尾氣當(dāng)中污染物主要有固體懸浮顆粒、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物以及鉛硫氧化合物等等。這些污染物嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量。空氣質(zhì)量的下降嚴(yán)重影響了人們的日常生活，對(duì)人類造成了極大的傷害，所以為了維持人類賴以生存的環(huán)境，全世界對(duì)汽車尾氣排放提出了嚴(yán)格的要求。

為了使汽車尾氣的排放達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，許多汽車尾氣凈化器隨之誕生。它的目的就是讓汽車尾氣中的有害物質(zhì)通過(guò)凈化器之后變?yōu)闊o(wú)害氣體，然后再排到大氣當(dāng)中。在所有的凈化器當(dāng)中，催化劑能夠使尾氣當(dāng)中的有害物質(zhì)通過(guò)化學(xué)方式分解為無(wú)害氣體排放到大氣當(dāng)中，減少了污染，但是催化劑想要在汽車尾氣凈化過(guò)程中達(dá)到最佳的效果，必須選擇合適的凈化器載體和材料，所以人們除了研究催化劑的性能外也會(huì)重點(diǎn)研究催化劑載體。而本篇文章主要針對(duì)汽車尾氣凈化催化劑的載體進(jìn)行研究。主要介紹了催化劑載體的特點(diǎn)、催化劑載體的種類[1]，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及特點(diǎn)。并且對(duì)未來(lái)的研究開(kāi)發(fā)方向提出了意見(jiàn)。

1、凈化催化劑載體的特點(diǎn)

催化劑載體性能的好壞對(duì)催化劑的活性以及使用壽命有非常大的影響。所以選擇理想的催化劑載體可以有效的減小汽車尾氣對(duì)于空氣的污染。因此理想的催化劑載體應(yīng)具備如下特點(diǎn):

(1)吸水率要合適

(2)耐熱性要非常的強(qiáng)

(3)比表面積足夠大

(4)具備低的熱容量以及高的導(dǎo)熱率

(5)載體材料不能與催化劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，影響催化劑化學(xué)性能

(6)孔隙結(jié)構(gòu)或開(kāi)孔率設(shè)計(jì)的要足夠精確

2、汽車尾氣凈化催化劑載體的種類

汽車催化劑載體[2]由載體骨架和骨架表面的活性涂層兩部分組成。在結(jié)構(gòu)形式上又分為顆粒型載體、蜂窩狀載體。

2.1 顆粒型載體

顆粒型載體[3]在汽車尾氣催化凈化器載體當(dāng)中使用的最早。它[4]是由多個(gè)直徑為3～4 mm的活性氧化鋁(γ·Al2O3)小球組成。氧化鋁可以很好稀釋催化劑，同時(shí)也可以起到支撐和分散催化劑的作用。貴金屬催化劑中的活性物質(zhì)附著在氧化鋁上，這些氧化鋁的表面積為(70～350 cm2/g)。這種載體具有很多優(yōu)點(diǎn)，它的機(jī)械強(qiáng)度比較高,制造工藝比較制造簡(jiǎn)便,而且它的比面積比較大，這種催化劑載體可以與活性組分很好的結(jié)合在一起，具有非常好的親和力，裝填催化劑也比較容易。但是顆粒型載體也有很多缺點(diǎn)。比如，載體結(jié)構(gòu)設(shè)置的不是很合理導(dǎo)致氣體在排除時(shí)存在阻力，隨著阻力的變大，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候存在很大的壓力，使耗油量大大增加，而且顆粒型載體承受高溫能力不是很強(qiáng)，容易被高溫腐蝕影響正常的使用，還會(huì)對(duì)催化劑的使用造成影響，改變催化劑的性能，不能很好的吸收分解尾氣中的有害氣體。因此顆粒型載體在目前使用過(guò)程中逐漸被遺忘，有更新型的載體取代。

2.2 蜂窩狀載體

蜂窩狀載體[5]因?yàn)楹芎玫氖褂眯阅苤饾u取代了顆粒狀載體,因?yàn)檩d體的形狀有很大的差異，所以使蜂窩狀載體的氣體阻力比顆粒狀載體要小很多，催化活性涂層薄且比表面積大，氣氛流暢均勻, 機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好。目前蜂窩狀載體在汽車尾氣凈化器使用中越來(lái)越多。汽車尾氣凈化催化劑載體主要的組成部分是以堇青石為主[6]，但是它也存在一些缺點(diǎn)，為了得到改善又開(kāi)發(fā)出了金屬載體。

（1）陶瓷蜂窩狀載體: 目前，蜂窩狀陶瓷載體在汽車尾氣凈化器中越來(lái)越受到人們的歡迎，因?yàn)檫@種載體具有許多優(yōu)點(diǎn)。蜂窩陶瓷載體[7]在高溫下仍能保持很好的使用性能，雖然蜂窩狀載體的壁相對(duì)比較薄，但是它特別耐沖擊，能夠抵抗很大的強(qiáng)度。蜂窩陶瓷的孔型結(jié)構(gòu)有兩種即三角孔型和正方孔型。上圖即為蜂窩陶瓷的截面結(jié)構(gòu)圖。陶瓷的生產(chǎn)工藝流程如下合成荃青石粉料—配料(加人結(jié)合劑)—混料—練泥—擠出—干燥—燒成—切割—檢選。堇青石不僅有良好的耐化學(xué)性能及良好的耐熱行,而且膨脹系數(shù)低。但是堇青石蜂窩陶瓷比表面積較小，這也讓它在使用過(guò)程中存在很大阻礙，因?yàn)楸让娣e小就不能讓催化劑和載體能夠很好的結(jié)合在一起，催化劑松動(dòng)，影響使用性能。但是我們可以使用活性氧化鋁，因?yàn)樗谋让娣e比較大，對(duì)于固定催化劑有很好的效果[8]。雖然陶瓷蜂窩載體擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)也不容忽視，在高溫下，由于催化劑與載體的抗熱性能不同，催化劑容易脫離，使凈化器中的小孔被催化劑殘?jiān)伦?，凈化器就達(dá)不到凈化的效果，使用效率特別低，這樣還是達(dá)不到汽車尾氣排放需求，汽車在啟動(dòng)時(shí)候，陶瓷載體升溫緩慢，尾氣經(jīng)過(guò)凈化器時(shí)，由于溫度達(dá)不到要求，催化劑不能正常工作，轉(zhuǎn)化效果很差，這也是很大的缺點(diǎn)。需要在以后的研究中更加重視，解決這些難題。

（2）金屬蜂窩狀載體:針對(duì)陶瓷載體存在的缺點(diǎn)，我們又研發(fā)出金屬蜂窩狀載體，這種載體可以很好的克服陶瓷蜂窩狀載體遺留下來(lái)的缺點(diǎn)。陶瓷蜂窩狀載體最大缺點(diǎn)就是比面積比較小，不容易吸附固定在上面的催化劑，所以在設(shè)計(jì)金屬蜂窩狀載體時(shí)，比面積明顯加大，這樣就不需要依靠活性氧化鋁來(lái)固定催化劑，能夠使催化劑更好的依附在載體上，不容易因?yàn)楦邷囟撀?，在汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)，金屬載體能夠快速升溫，溫度能夠達(dá)到催化劑正常工作的溫度，效率明顯增加。金屬蜂窩狀載體機(jī)械輕度比較大，催化劑不會(huì)因?yàn)橥饨鐩_擊而破碎[9]。圖3為金屬蜂窩體載體的俯視圖[5]。

3、載體材料

從汽車尾氣凈化器的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程看,載體材料主要分為[10]陶瓷顆粒型載體材料、蜂窩陶瓷載體材料和金屬載體材料三大類。

3.1 陶瓷顆粒型載體材料

在所有汽車尾氣凈化裝置的載體材料當(dāng)中，人們最早研究的是陶瓷顆粒型載體材料，因?yàn)檠芯肯鄬?duì)于其他載體材料

要早，所以使用也最早。它是活性氧化鋁小球堆積而成?；钚匝趸X具有一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，就是它能夠吸附汽車尾氣中的固體顆粒，隨著溫度的升高，附著在這些活性氧化鋁上面的固體顆粒會(huì)與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)，這些固體顆粒會(huì)被充分燃燒，燃燒后這些固體顆粒物就會(huì)變成無(wú)害物質(zhì)，然后再排放到大氣中，大大減少了對(duì)空氣的污染。這種載體還有其他優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)，這種載體比表面積比較大,機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊，制造工藝非常簡(jiǎn)單，原材料也容易獲取，更重要的是顆粒型載體材料比起其他的載體材料要便宜許多，與活性組分親和力較好。但是它也有不少缺點(diǎn)，由于這種載體孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是很合理，導(dǎo)致氣體流通時(shí)存在障礙，尤其在縱向上，由于流體流通存在障礙，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)更加耗油，加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力，而且這種陶瓷顆粒型材料在高溫下與廢氣容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成載體材料逐漸被腐蝕，不僅影響了載體的壽命也會(huì)對(duì)催化劑的使用性能造成很嚴(yán)重的影響，而且會(huì)對(duì)空氣造成二次污染，在實(shí)際使用中也存在一定困難，正是由于這種載體的缺點(diǎn)沒(méi)有得到改進(jìn)，所以陶瓷顆粒型載體在汽車尾氣凈化中得到較少的關(guān)注，所以蜂窩狀陶瓷載體材料出現(xiàn)。

3.2 蜂窩狀陶瓷載體材料

目前在汽車尾氣凈化裝置中廣泛采用的的是陶瓷蜂窩載體。因?yàn)樘沾煞涓C載體在很多方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，蜂窩陶瓷不容易因?yàn)楦邚?qiáng)度而變形或者高溫下化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，它的物理化學(xué)性非常穩(wěn)定,它的比面積也很大，同時(shí)，蜂窩陶瓷密度比較小，這可以減少載體的質(zhì)量，一定程度上減少了汽車的載重，它的尺寸穩(wěn)定性比較高，不會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩剌p易發(fā)生改變。

汽車尾氣凈化催化劑較為理想的載體是由荃青石構(gòu)成的支持體。堇青石的化學(xué)式為2MgO2Al2O35SiO2,理論化學(xué)組成為:MgO 13.7%,A12O334.9%,SiO251.4%;其熔點(diǎn)為1 460度。堇青石的合成方法有很多種，但是較為常見(jiàn)的有以下5種方法：（1）水解-沉淀法（2）玻璃反?；ǎ?）溶膠-凝膠法（4）熔劑生成單晶法（5）固相合成法。因?yàn)檩狼嗍诤芏喾矫婢哂袃?yōu)勢(shì), 比如它的價(jià)格比較低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單可行，原材料獲取比較容易并且它能夠基本滿足汽車尾氣凈化的需求，荃青石是通過(guò)吸收汽車尾氣當(dāng)中的碳黑從而達(dá)到凈化的效果，一段時(shí)間之后，集中起來(lái)的碳黑可以一起處理掉，很方便。所以由荃青石構(gòu)成的支持體在世界范圍內(nèi)能夠得到廣泛的使用。但是有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，荃青石構(gòu)成的支持體存在的一個(gè)缺點(diǎn)就是脆性很大，這一個(gè)缺點(diǎn)需要在以后的研究當(dāng)中更加重視，因?yàn)樗谄囄矚鈨艋衅鸬讲豢扇〈淖饔谩?/p>

3.3 金屬載體材料

到了80年代，隨著研究的深入，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬載體出現(xiàn)。陶瓷載體材料的研究比金屬載體的研究要早好長(zhǎng)一段時(shí)間。金屬載體具備好多陶瓷載體材料不能具備的特點(diǎn)，金屬載體材料的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在[11]：1.材料的比表面積比陶瓷載體大，但是壁厚卻比陶瓷材料減少三分之一； 2.金屬載體的質(zhì)量比陶瓷載體輕了許多，所以使得尾氣的排氣阻力比陶瓷載體要小許多；3.金屬載體的抗震性比較好，因?yàn)榻饘購(gòu)?qiáng)度比較高[9]。雖然金屬載體具備以上陶瓷載體不能具備的優(yōu)點(diǎn)，但是想要使金屬載體在汽車尾氣排放當(dāng)中擁有更廣泛的發(fā)展以及應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的一段路要走，還有許多問(wèn)題需要繼續(xù)解決。例如，金屬載體的抗高溫性能不好，使得金屬載體在高溫下抗氧化性能非常差，而且它與載有催化劑的表面層不能很好的結(jié)合在一起，不牢固，還有非常重要的一點(diǎn)，金屬載體材料比起其他載體材料要昂貴許多，它大概是陶瓷載體材料價(jià)格的兩倍。所以金屬載體材料的應(yīng)用還需要進(jìn)一步去研究，還需要投入大量的精力，難度也相當(dāng)?shù)拇蟆?/p>

4、結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的汽車總量在一天一天增加，因?yàn)槲矚馕廴緡?yán)重，這對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，使人們生活質(zhì)量明顯下降，也嚴(yán)重影響了人類的身體健康。所以這對(duì)汽車尾氣凈化催化劑和金屬載體的研究提出了新的挑戰(zhàn)。因此對(duì)汽車尾氣凈化催化劑和金屬載體的研究成為當(dāng)務(wù)之急。目前汽車尾氣的發(fā)展方向就是想法設(shè)法的去改善催化劑的性能、盡量降低催化劑的成本、提高其使用壽命。為了我們的健康，還一個(gè)“干凈”的地球，我們必須不斷的去鉆研，尋找更好的辦法去解決汽車尾氣污染問(wèn)題。

[1] 趙秋伶, 徐小健, 蔡秀琴. 汽車尾氣凈化催化劑及載體的研究進(jìn)展[J]. 廣州化工, 2009, 37(8): 15-18.

[2] 趙秋伶, 徐小健, 蔡秀琴. 汽車尾氣凈化催化劑及載體的研究進(jìn)展[J]. 廣州化工, 2009, 37(8): 15-18.

[3] 張金玲. 燃燒合成 NiAl 金屬間化合物基多孔復(fù)合材料的研究[D]. 山東科技大學(xué), 2007.

[4] 孫俊賽, 資文華, 繆松蘭, 等. 汽車尾氣用催化劑載體研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國(guó)陶瓷, 2003, 39(5): 19-21.

[5] 郭建軍, 羅來(lái)濤. 汽車尾氣催化劑的研究進(jìn)展[J]. 江西化工, 2001 (2): 3-9.

[6] 曹磊. 汽車尾氣凈化催化劑的研究進(jìn)展[J]. 污染防治技術(shù), 2008, 21(3): 70-72.

[7] 楊慶山, 蘭石琨. 我國(guó)汽車尾氣凈化催化劑的研究現(xiàn)狀[J]. 金屬材料與冶金工程, 2013, 41(1): 53-59.

[8] 饒日川. 鈰鋯混合氧化物的摻雜改性及其在汽車尾氣凈化催化劑中的應(yīng)用研究[D]. 南昌大學(xué), 2005.

[9] 王宏達(dá). 汽車尾氣處理中的三效催化劑技術(shù)進(jìn)展[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2011 (11): 56-57.

[10] 張健, 李程, 吳賢, 等. 金屬纖維多孔材料在機(jī)動(dòng)車尾氣凈化器中的應(yīng)用[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 36(A03): 378-382.

[11] 江婭. 負(fù)載型雙金屬 (鈰—鋯) 催化劑的制備與性能研究[D].南京理工大學(xué), 2009.

Overview of Researching of the Carriers of autocatalysts

Tang Lei, Xiong Xin, Jiang Yi, Liao Xiaojun, Ren Zhiyuan
（School of Automotive Engineering Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051）

With the rapid development of automobile industry, the global car ownership has also increased year by year. Now, automobile exhaust pollutant emission control has become urgent social problems.The article describes the characteristics of the catalyst support, the type of catalyst support, analyze their strengths and weaknesses as well as features. And the future direction of research and development put forward their views.

Granular carrier；Honeycomb carrier；Carrier material

U473

B

1671-7988(2014)07-15-03

唐磊，就讀于鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院。