劉志軍

（中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031)

機(jī)動(dòng)車尾氣污染物主要包括一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮℉C），氮氧化合物（NOx）及顆粒物等，機(jī)動(dòng)車尾氣污染是空氣污染的重要來源，對(duì)人類的健康危害也極大。本文概述了機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑的研究現(xiàn)狀，并針對(duì)未來機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑的研究

1.1 催化劑載體

機(jī)動(dòng)車尾氣催化劑構(gòu)成如圖1所示。載體構(gòu)成催化劑的支撐骨架，可以提供催化劑活性中心、節(jié)省活性組分用量，同時(shí)還提供較大的比表面積和適宜的孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)催化劑的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

圖1 機(jī)動(dòng)車尾氣催化劑的構(gòu)成

機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑的載體主要有多孔陶瓷載體（包括堇青石載體和SiC 多孔陶瓷載體）、金屬合金載體以及沸石載體、陶瓷纖維載體、玻璃纖維載體等。催化活性組分主要就是在高比表面載體上分布，這樣才可以充分地發(fā)揮其作用。載體選擇對(duì)于催化劑的活性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，通過對(duì)載體進(jìn)行處理可以降低催化劑的成本，提升活性組分利用率，提高催化劑機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)條件，增強(qiáng)耐壓強(qiáng)度等。有效地增強(qiáng)催化劑的抗毒性能，應(yīng)用載體會(huì)在一定程度上吸附、分解在燃油、潤(rùn)滑以及機(jī)油添加劑中的部分有毒物質(zhì)。

在進(jìn)行大空速操作處理中，如果反應(yīng)熱逐漸在催化床層中進(jìn)行積累，則很容易降低催化劑的活性，產(chǎn)生副反應(yīng)，其在不穩(wěn)定的操作區(qū)域中很容易出現(xiàn)操作性的隱患問題。而通過載體則可以有效解決此種問題。

汽車尾氣凈化催化劑載體目前使用最多的為多孔陶瓷載體，具有高孔隙率、強(qiáng)熱擴(kuò)散能力、機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、比表面積大、催化活性涂層薄等優(yōu)點(diǎn)。另一種載體是合金壓成波紋狀的整體性合金載體，具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，尾氣排放的阻力相對(duì)較低，較強(qiáng)的排氣動(dòng)力性能，機(jī)械性能良好，載體的應(yīng)用壽命延長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但是金屬載體表面光滑，毛細(xì)孔道不足，催化劑活性組分的負(fù)載相對(duì)較為困難，在進(jìn)行催化劑的制備處理中工藝負(fù)載，成本相對(duì)較高，其具有較強(qiáng)的金屬熱膨脹系數(shù)等。

1.2 催化劑涂層

催化劑涂層材料是通過一種、多種金屬氧化物形成的一種復(fù)合型粉體材料。在催化劑技術(shù)不斷發(fā)展中，涂層材料高速發(fā)展，其逐漸發(fā)展為功能組合型。涂層材料是貴金屬等活性組分的有效載體，可以增強(qiáng)催化活性的表面結(jié)構(gòu)，在與貴金屬的作用之下，形成了協(xié)調(diào)作業(yè)機(jī)制，可以充分地提升催化劑活性，增強(qiáng)整體的穩(wěn)定性，提高了抗中毒性。目前所用較多的活性涂層為SiO2和TiO2等高熔點(diǎn)無機(jī)氧化物。

活性涂層在研究中的關(guān)鍵就是要在高溫階段維持整體的高比表面積，使得涂層與載體可以有效地結(jié)合與匹配，避免出現(xiàn)結(jié)塊以及相變等問題。

現(xiàn)階段在研究中主要就是通過添加稀土、過渡金屬原始的方式，通過化合物直接的協(xié)調(diào)功效，在相互作用之下提升催化劑的熱穩(wěn)定性，增強(qiáng)整體的儲(chǔ)氧能力，提升整體的助催化性能。在實(shí)踐中通過多層活性涂層、應(yīng)用氧化物進(jìn)行處理，可以有效地增強(qiáng)整體的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)高溫劣化的問題。

1.3 催化劑助劑

催化劑助劑是汽車尾氣催化劑研究的重要組成部分，其主要負(fù)載于活性涂層材料上。目前使用最多的主要有非貴金屬、稀土金屬以及堿土金屬，如氧化鋯（ZrO2）、氧化鈦（TiO2）、氧化鐲（La2O3）等氧化物。助劑主要對(duì)催化劑性能的主要組分進(jìn)行調(diào)變，自身的活性較低，甚至沒有活性。將其添加到催化劑中，在與活性組分的化學(xué)、物理作用之下具有改善催化劑結(jié)構(gòu)、活性性能的作用。

1.4 催化劑活性組分

催化劑的制備過程中利用前軀體溶液將催化劑的活性組分引入到載體中，然后經(jīng)過干燥、煅燒還原等處理，使其分解為一種金屬單質(zhì)或一種氧化物，均勻分布在催化劑載體上。催化劑活性組分主要有貴金屬、非貴金屬兩種類型。貴金屬以鉑、鈀、銠最為常用，其具有起燃溫度低、壽命長(zhǎng)的特征，具有較強(qiáng)的催化轉(zhuǎn)化的效率特征。但是貴金屬的價(jià)格昂貴，在應(yīng)用中很容易出現(xiàn)中毒等問題。非貴金屬催化劑以過渡金屬與堿金屬氧化物為主要活性組分，其中，鈣鈦礦型三效催化劑具有優(yōu)秀的催化性能和物理化學(xué)性質(zhì)，通過催化組分可變性，可以選擇合適的替代物進(jìn)行金屬離子價(jià)態(tài)的控制管理，達(dá)到增強(qiáng)整體反應(yīng)活性的目的。此種類型的催化劑具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)化率以及凈化率。在高溫狀態(tài)之下較為穩(wěn)定。但是相對(duì)于貴金屬的催化劑來說其還原性能不足，起燃溫度也相對(duì)較高。

2 機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑的展望

機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑發(fā)展可以有效地降低空氣污染問題，是解決汽車高速發(fā)展導(dǎo)致的污染問題的關(guān)鍵因素。因此，要融合多種技術(shù)做好機(jī)動(dòng)車尾氣凈化催化劑研究分析。

2.1 貴金屬催化劑

貴金屬催化劑目前使用最為廣泛，有害氣體凈化率可達(dá)90%以上，但其也有一定的缺點(diǎn)，如高溫失活、易中毒以及制造成本高，是影響其發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究的重點(diǎn)是使用高效的催化劑載體，有效地降低貴金屬用量。該高效載體應(yīng)具有較強(qiáng)的電子傳導(dǎo)能力、較大的比表面積和合理的孔結(jié)構(gòu)，以及顯著的抗腐蝕性。

現(xiàn)階段主要研究的內(nèi)容有貴金屬催化劑技術(shù)、貴金屬-非貴金屬混合催化劑、納米稀土材料催化劑以及超臨界技術(shù)，此類技術(shù)應(yīng)用前景廣泛。

2.2 稀土材料的應(yīng)用

三效催化劑主要就是通過載體、涂層、活性組分以及助劑四個(gè)部分共同構(gòu)成。稀土材料一般用于三效催化劑的助劑、穩(wěn)定劑和分散劑。其中助劑就是一種活性較低的添加物，甚至沒有催化作用，通過添加到催化劑可以有效地增強(qiáng)催化劑的催化性能?，F(xiàn)階段研究的重點(diǎn)稀土儲(chǔ)氧材料和La穩(wěn)定的氧化鋁材料，這兩者對(duì)催化劑的性能起著最為關(guān)鍵性的作用。

納米稀土催化技術(shù)已應(yīng)用于汽車尾氣處理過程中。在今后的研發(fā)中要尋找新型的可以替代或部分替代貴金屬的催化材料，已成為研究的重點(diǎn)，在三效催化劑中利用納米稀土粒子替代常規(guī)稀土化合物，可有效地提高尾氣的凈化率。納米稀土具有較強(qiáng)的催化活性，氧化還原性能較強(qiáng)，可以有效地解決汽車尾氣的污染問題。

2.3 ABO3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)催化劑

稀土元素（如La、Ce等）和過渡金屬元素（如Fe、Co 等）組成的ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)催化劑具有凈化率高、穩(wěn)定性好、抗中毒能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，今后的研究重點(diǎn)是解決其還原性不足，起燃溫度高和壽命低等問題。

2.4 新型汽車尾氣凈化技術(shù)

研究表明，低溫等離子體技術(shù)可用于氣體凈化，其在機(jī)動(dòng)車尾氣處理方面也有著廣闊的發(fā)展前景。但是其也具有一定的局限性，低溫等離子體技術(shù)對(duì)于汽車尾氣凈化處理流程較為復(fù)雜，會(huì)受到各種因素的影響，在實(shí)踐中也沒有形成完整的理論。綜合國(guó)內(nèi)外研究，目前研究的方向是將催化技術(shù)與低溫等離子體技術(shù)相結(jié)合，等離子體場(chǎng)可產(chǎn)生高能量活性粒子，促進(jìn)催化反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)減少能耗，讓反應(yīng)具有選擇性，同時(shí)減少反應(yīng)副產(chǎn)物。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，更加重視對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣的凈化分析，通過研發(fā)新的催化劑可以有效地降低各種污染問題?？偟膩碚f，我國(guó)機(jī)動(dòng)車尾氣排放凈化技術(shù)起步較晚，深入研究機(jī)動(dòng)車尾氣催化劑，可以降低機(jī)動(dòng)車尾氣造成的不良影響，有效地降低環(huán)境污染。在進(jìn)行機(jī)動(dòng)車尾氣設(shè)計(jì)與開發(fā)中要優(yōu)化催化劑的性能，開發(fā)出更高效、專一的催化劑，降低催化劑成本，提高催化劑的整體壽命。