催化轉化器的研究進展

肖丹妮，靳超，袁萬里

(中國兵器裝備集團 摩托車檢測技術研究所,西安 710032)

摘要：隨著國家對環(huán)保問題重視程度的提高，對車輛廢氣排放要求也相應地增加.結合摩托車尾氣排放問題，對催化轉化器在降低CO、HC和NOX等方面發(fā)揮的作用進行了介紹，詳細闡述了催化轉化器的定義、組成和反應原理，論述了在一定范圍內貴金屬組分鉑、鈀、銠的含量越大，催化效率越高，同時其催化活性與貴金屬鉑、鈀、銠的粒徑也成線性關系；催化轉化器載體孔壁厚度越薄和孔密度越大催化效率越高；汽油品質越好，含硫量越低，催化效率越高；根據(jù)不同車型的排放要求，選擇合適的溫度、排氣系統(tǒng)空燃比，使其達到最佳的排放效果.

關鍵詞：催化轉化器;催化作用;三元催化劑

中圖分類號：U464文獻標志碼：A

文章編號：1008-5564(2015)03-0074-05

收稿日期：2015-03-23

基金項目：安徽省教育振興計劃高校優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL129ZD)；安徽省教育廳質量工程教學研究項目(2012jyxm710；2013jyxm373)

作者簡介：孫士新(1980—)，男，安徽亳州人，亳州職業(yè)技術學院信息工程系講師，碩士，北京師范大學訪問學者，信息安全技術專業(yè)帶頭人，主要從事于職業(yè)技術教育、信息化、網絡應用技術研究.

ResearchRrogressofCatalyticConverters

XIAODan-ni,JINChao,YUANWan-li

(InstituteofMotorcycleTestTechnology,ChinaSouthIndustriesGroupCorporation,Xi’an710032,China)

Abstract：With the improvement of national emphasis on the environmental issues, the requirements for vehicle exhaust emissions also increases. In this paper, combining with the motorcycle exhaust emission problems, the roles of catalytic converter plays in reducing emissions of CO, HC and NOX, etc were introduced, and the composition and principle of the catalytic converter were discussed in detail. It’s said that the greater the component content of the platinum, palladium and rhodium, the higher the efficiency is. Meanwhile, relationship between the catalytic activity and the particle size of noble metals such as platinum, palladium and rhodium is also linear. The thinner wall thickness is and the greater the hole density is, so the higher the catalytic efficiency is. The catalytic efficiency will increase with the improving of the quality of gasoline and the decline of the sulfur content. According to the emission requirements of different models, the catalytic converters will achieve the best emission effect by selecting the appropriate temperature and air fuel ratio of the exhaust system.

Keywords：catalyticconverters;catalyticaction;theternarycatalyst

隨著經濟的發(fā)展，環(huán)境污染成為目前面臨的全球性問題，環(huán)境污染很大一部分來自于空氣污染，而空氣污染源中，機動車輛排放的廢氣污染占有比較大的比例.因此，降低廢氣污染物排放量已經成為日益關注的話題.2007年國家環(huán)境保護總局和質量監(jiān)督總局對摩托車污染物排放限值及測量方法的標準做了新的編制，對廢氣污染物的排放做了更加嚴格的要求.這就要求廠家花更多的精力和財力來對摩托車減排措施進行改進，以達到國家法律的規(guī)定.催化轉化器安裝于機動車(汽車和摩托車)發(fā)動機排氣管中，通過氧化還原反應，將發(fā)動機排放的廢氣有害物如CO、HC、和NOX轉化為無害的水、二氧化碳和氮氣[1]，故又稱之為三元(效)催化轉化器.當廢氣通過催化轉化器時，催化轉化器中的催化劑能夠增強CO、HC和NOX的活性，促進其進行氧化還原反應，將CO氧化為CO2，碳氫燃料氧化為CO2和H2O，NOX還原為N2和O2[2]，從而實現(xiàn)降低尾氣污染物排放的目的.

1催化轉化器組成

催化轉化器主要由載體和涂層兩部分組成[2]，載體是催化轉化器的骨架，涂層上涂覆有貴金屬催化劑鉑、鈀和銠.

1.1催化轉化器載體

催化轉化器的載體主要分為陶瓷載體和金屬載體，陶瓷載體的主要成分為堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)[1]，其熱穩(wěn)定性高于1 300℃，而金屬載體的主要成分為FeCrAl，有的會添加少量的Ce和Y，將其制成蜂窩狀以提高其性能，與陶瓷載體相比，其熱穩(wěn)定相對較差，低于1 300℃，且金屬載體多用于空間緊湊的摩托車上，而陶瓷載體用于汽車上.

1.2催化轉化器涂層

在載體孔道表面涂覆一層特松散的以γ-Al2O3為主的活性涂層，即為催化轉化器的涂層，可以增加載體的表面積，極大地提高催化轉化器的活性表面積和儲存氧的能力[2-3].在活性涂層的外層涂覆含有鉑鈀銠貴金屬的催化劑和含鋯和鈰等元素的助催化劑.

催化轉化器的涂層是影響催化效率的主要因素之一，多涂層技術是提高催化轉化器性能的主要途徑，但隨著涂層的增多，涂層之間的粘結力變差，導致催化轉化器貴金屬涂層脫落，進而又降低了催化轉化器的性能，使得排放不能達到國家要求.目前國內的一些廠家通過研究，采用多次多層涂覆來降低其脫附率.

2催化轉化器原理

催化轉化器是通過增強CO、HC和NOX活性，促進CO、HC發(fā)生氧化反應，而NOX發(fā)生還原反應，其主要反應為[3]：

在CO和HC的氧化燃燒過程中，氧化物與催化劑的交換有兩種機理：一類是利用催化劑表面的吸附氧進行氧化；另一類是利用催化劑晶格中的氧進行氧化.后者利用催化劑本身在兩種不明顯的價態(tài)之間循環(huán)，使電子向氧轉移,發(fā)生氧化反應，同時，不同碳氫化合物的氧化程度也是不同的，烯烴和其他不飽和的碳氫化合物被優(yōu)先氧化，而飽和的碳氫化合物很難被氧化，其中甲烷是最難被氧化的碳氫化合物[3].在進行氧化還原反應時，CO和HC也可以作為NOX的還原劑，將NOX還原為N2，因此在使用催化劑的同時應充分改良催化劑的配方，使其能夠較好地利用廢氣自身的資源來提高催化效率.

3影響催化轉化器轉化效率的因素

3.1貴金屬組分鉑、鈀、銠的含量和配比對催化轉化器轉化效率的影響

催化轉化器中催化劑貴金屬鉑、鈀、銠含量、組成和配比不同，其轉化效率也不同.催化轉化器對尾氣污染物的凈化反應是表面化學反應，一般情況下，貴金屬含量增加，貴金屬微粒在載體表面上的數(shù)量也增加，對尾氣污染物的轉化效率就提高，但是如果含量超過一定的限值，貴金屬就難于均勻分散和分布，且高溫下貴金屬顆粒容易發(fā)生聚集，也易于被涂層包埋，對尾氣污染物的轉化效率反而會下降[4]，同時，其催化活性與貴金屬鉑、鈀、銠的粒徑也成線性關系[5].

催化劑中的鉑和鈀主要對CO和HC起氧化作用，而銠主要對NOX起還原作用，比例不同，對尾氣污染物的轉化效率也不同.因此，應根據(jù)不同的車型和需求選用合適含量組成和配比的催化轉化器.

3.2催化轉化器載體孔壁厚度和孔密度對催化轉化器轉化效率的影響

目前，摩托車催化轉化器載體的孔密度多為200和300cpsi，但也有做到600cpsi的催化轉化器，同時催化轉化器載體孔道壁越薄，催化劑的孔密度越大，催化劑的表面積就越大，貴金屬與CO、HC和NOX接觸的機會也隨之增加，反應會更加充分，其轉化效率也會相應地提高[5].

3.3汽油品質對催化轉化器轉化效率的影響

汽油中的硫、鉛、磷和鋅等元素在燃燒后會形成氧化物顆粒，吸附于催化劑表面，導致催化劑不能與廢氣充分接觸而失去催化作用.隨著石油品質的不斷提高，汽油中的硫和錳的含量都有明顯的下降，蒸汽壓要求也更為嚴格，催化轉化器的效率也相應地改善和提高，延長了催化轉化器的壽命.

3.4溫度對催化轉化器效率的影響

通常，在常溫下三元催化轉化器不具備催化能力，只有當催化劑被加熱到一定溫度，催化劑才具有氧化或還原的能力，通常催化轉化器的起燃溫度為250～350℃，正常工作溫度為400～800℃，高于 1 000℃，催化轉化器的催化劑會被燒結甚至內部涂層會發(fā)生脫落[6]，載體發(fā)生破裂，車輛也易發(fā)生自燃事故.因此，在設計催化轉化器時應多注意造成排氣溫度過高的因素，例如催化轉化器的安裝位置和點火時間過遲等因素，使催化轉化器的效能達到最佳.

3.5排氣系統(tǒng)對催化轉化器的轉化效率的影響

排氣系統(tǒng)的結構對催化轉化器的轉化效率影響也較大.排氣系統(tǒng)的結構直接影響到催化劑載體尺寸和催化劑的用量，雙排氣消聲器的車輛需要安裝兩個尺寸較小的催化轉化器.對于某些車輛，由于排放污染物的含量需要安裝兩個甚至三個催化轉化器，進行分級凈化，逐漸減排，以達到最終的減排目標.

3.6空燃比對催化轉化器轉化效率的影響

空燃比是供給發(fā)動機的空氣與汽油的混合比，空燃比對催化轉換器的轉化效率影響也很大.當空燃比大于理論值14.6，發(fā)動機處于貧油燃燒狀態(tài)，催化劑對CO和HC的催化效率會迅速增高，但對NOX的轉化效率下降；當空燃比小于理論值14.6，發(fā)動機出于富油燃燒，催化劑對CO和HC的催化效率會迅速下降.因此，可以通過對排氣組分的調節(jié)，選擇一個合適的空燃比來提高催化轉化器的轉化效率[1]，使車輛的尾氣排放達到國家的標準要求.

4結語

隨著國家對環(huán)保問題重視程度的提高，對車輛廢氣排放要求也相應地嚴格，催化轉化器在今后摩托車中的地位也會隨之相應地提高.目前，我國催化轉化器多采用貴金屬催化劑，而貴金屬的成本較高.一方面，通過研究采用非貴金屬或其氧化物代替貴金屬作為催化轉化器的催化劑；另一方面，對催化劑的微粒細化，利用納米材料獨特的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等獨特的性質，改善反應速度和反應效率，用以提高催化劑活性，這樣更利于減排，保護環(huán)境.

[參考文獻]

[1]杜高輝,陸路,趙興國,等.三效催化轉化器研究進展[J].環(huán)境污染治理技術與設備,2001,1(2):53-57.

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[3]程繼夏,邊耀璋.三元催化劑催化機理分析[J].長安大學學報(自然科學版)，2002,22(2):80-82.

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[6]趙國濤.三效催化轉化器在汽車尾氣凈化中應用[J].沈陽航空工業(yè)學院學報,2002,19(1):58-60.

[責任編輯馬云彤]

Vol.18No.3Jul.2015