催化转化器的研究进展

催化转化器的研究进展

肖丹妮，靳超，袁万里

(中国兵器装备集团 摩托车检测技术研究所,西安 710032)

摘要：随着国家对环保问题重视程度的提高，对车辆废气排放要求也相应地增加.结合摩托车尾气排放问题，对催化转化器在降低CO、HC和NOX等方面发挥的作用进行了介绍，详细阐述了催化转化器的定义、组成和反应原理，论述了在一定范围内贵金属组分铂、钯、铑的含量越大，催化效率越高，同时其催化活性与贵金属铂、钯、铑的粒径也成线性关系；催化转化器载体孔壁厚度越薄和孔密度越大催化效率越高；汽油品质越好，含硫量越低，催化效率越高；根据不同车型的排放要求，选择合适的温度、排气系统空燃比，使其达到最佳的排放效果.

关键词：催化转化器;催化作用;三元催化剂

中图分类号：U464文献标志码：A

文章编号：1008-5564(2015)03-0074-05

收稿日期：2015-03-23

基金项目：安徽省教育振兴计划高校优秀青年人才基金重点项目(2013SQRL129ZD)；安徽省教育厅质量工程教学研究项目(2012jyxm710；2013jyxm373)

作者简介：孙士新(1980—)，男，安徽亳州人，亳州职业技术学院信息工程系讲师，硕士，北京师范大学访问学者，信息安全技术专业带头人，主要从事于职业技术教育、信息化、网络应用技术研究.

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

随着经济的发展，环境污染成为目前面临的全球性问题，环境污染很大一部分来自于空气污染，而空气污染源中，机动车辆排放的废气污染占有比较大的比例.因此，降低废气污染物排放量已经成为日益关注的话题.2007年国家环境保护总局和质量监督总局对摩托车污染物排放限值及测量方法的标准做了新的编制，对废气污染物的排放做了更加严格的要求.这就要求厂家花更多的精力和财力来对摩托车减排措施进行改进，以达到国家法律的规定.催化转化器安装于机动车(汽车和摩托车)发动机排气管中，通过氧化还原反应，将发动机排放的废气有害物如CO、HC、和NOX转化为无害的水、二氧化碳和氮气[1]，故又称之为三元(效)催化转化器.当废气通过催化转化器时，催化转化器中的催化剂能够增强CO、HC和NOX的活性，促进其进行氧化还原反应，将CO氧化为CO2，碳氢燃料氧化为CO2和H2O，NOX还原为N2和O2[2]，从而实现降低尾气污染物排放的目的.

1催化转化器组成

催化转化器主要由载体和涂层两部分组成[2]，载体是催化转化器的骨架，涂层上涂覆有贵金属催化剂铂、钯和铑.

1.1催化转化器载体

催化转化器的载体主要分为陶瓷载体和金属载体，陶瓷载体的主要成分为堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)[1]，其热稳定性高于1 300℃，而金属载体的主要成分为FeCrAl，有的会添加少量的Ce和Y，将其制成蜂窝状以提高其性能，与陶瓷载体相比，其热稳定相对较差，低于1 300℃，且金属载体多用于空间紧凑的摩托车上，而陶瓷载体用于汽车上.

1.2催化转化器涂层

在载体孔道表面涂覆一层特松散的以γ-Al2O3为主的活性涂层，即为催化转化器的涂层，可以增加载体的表面积，极大地提高催化转化器的活性表面积和储存氧的能力[2-3].在活性涂层的外层涂覆含有铂钯铑贵金属的催化剂和含锆和铈等元素的助催化剂.

催化转化器的涂层是影响催化效率的主要因素之一，多涂层技术是提高催化转化器性能的主要途径，但随着涂层的增多，涂层之间的粘结力变差，导致催化转化器贵金属涂层脱落，进而又降低了催化转化器的性能，使得排放不能达到国家要求.目前国内的一些厂家通过研究，采用多次多层涂覆来降低其脱附率.

2催化转化器原理

催化转化器是通过增强CO、HC和NOX活性，促进CO、HC发生氧化反应，而NOX发生还原反应，其主要反应为[3]：

在CO和HC的氧化燃烧过程中，氧化物与催化剂的交换有两种机理：一类是利用催化剂表面的吸附氧进行氧化；另一类是利用催化剂晶格中的氧进行氧化.后者利用催化剂本身在两种不明显的价态之间循环，使电子向氧转移,发生氧化反应，同时，不同碳氢化合物的氧化程度也是不同的，烯烃和其他不饱和的碳氢化合物被优先氧化，而饱和的碳氢化合物很难被氧化，其中甲烷是最难被氧化的碳氢化合物[3].在进行氧化还原反应时，CO和HC也可以作为NOX的还原剂，将NOX还原为N2，因此在使用催化剂的同时应充分改良催化剂的配方，使其能够较好地利用废气自身的资源来提高催化效率.

3影响催化转化器转化效率的因素

3.1贵金属组分铂、钯、铑的含量和配比对催化转化器转化效率的影响

催化转化器中催化剂贵金属铂、钯、铑含量、组成和配比不同，其转化效率也不同.催化转化器对尾气污染物的净化反应是表面化学反应，一般情况下，贵金属含量增加，贵金属微粒在载体表面上的数量也增加，对尾气污染物的转化效率就提高，但是如果含量超过一定的限值，贵金属就难于均匀分散和分布，且高温下贵金属颗粒容易发生聚集，也易于被涂层包埋，对尾气污染物的转化效率反而会下降[4]，同时，其催化活性与贵金属铂、钯、铑的粒径也成线性关系[5].

催化剂中的铂和钯主要对CO和HC起氧化作用，而铑主要对NOX起还原作用，比例不同，对尾气污染物的转化效率也不同.因此，应根据不同的车型和需求选用合适含量组成和配比的催化转化器.

3.2催化转化器载体孔壁厚度和孔密度对催化转化器转化效率的影响

目前，摩托车催化转化器载体的孔密度多为200和300cpsi，但也有做到600cpsi的催化转化器，同时催化转化器载体孔道壁越薄，催化剂的孔密度越大，催化剂的表面积就越大，贵金属与CO、HC和NOX接触的机会也随之增加，反应会更加充分，其转化效率也会相应地提高[5].

3.3汽油品质对催化转化器转化效率的影响

汽油中的硫、铅、磷和锌等元素在燃烧后会形成氧化物颗粒，吸附于催化剂表面，导致催化剂不能与废气充分接触而失去催化作用.随着石油品质的不断提高，汽油中的硫和锰的含量都有明显的下降，蒸汽压要求也更为严格，催化转化器的效率也相应地改善和提高，延长了催化转化器的寿命.

3.4温度对催化转化器效率的影响

通常，在常温下三元催化转化器不具备催化能力，只有当催化剂被加热到一定温度，催化剂才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度为250～350℃，正常工作温度为400～800℃，高于 1 000℃，催化转化器的催化剂会被烧结甚至内部涂层会发生脱落[6]，载体发生破裂，车辆也易发生自燃事故.因此，在设计催化转化器时应多注意造成排气温度过高的因素，例如催化转化器的安装位置和点火时间过迟等因素，使催化转化器的效能达到最佳.

3.5排气系统对催化转化器的转化效率的影响

排气系统的结构对催化转化器的转化效率影响也较大.排气系统的结构直接影响到催化剂载体尺寸和催化剂的用量，双排气消声器的车辆需要安装两个尺寸较小的催化转化器.对于某些车辆，由于排放污染物的含量需要安装两个甚至三个催化转化器，进行分级净化，逐渐减排，以达到最终的减排目标.

3.6空燃比对催化转化器转化效率的影响

空燃比是供给发动机的空气与汽油的混合比，空燃比对催化转换器的转化效率影响也很大.当空燃比大于理论值14.6，发动机处于贫油燃烧状态，催化剂对CO和HC的催化效率会迅速增高，但对NOX的转化效率下降；当空燃比小于理论值14.6，发动机出于富油燃烧，催化剂对CO和HC的催化效率会迅速下降.因此，可以通过对排气组分的调节，选择一个合适的空燃比来提高催化转化器的转化效率[1]，使车辆的尾气排放达到国家的标准要求.

4结语

随着国家对环保问题重视程度的提高，对车辆废气排放要求也相应地严格，催化转化器在今后摩托车中的地位也会随之相应地提高.目前，我国催化转化器多采用贵金属催化剂，而贵金属的成本较高.一方面，通过研究采用非贵金属或其氧化物代替贵金属作为催化转化器的催化剂；另一方面，对催化剂的微粒细化，利用纳米材料独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等独特的性质，改善反应速度和反应效率，用以提高催化剂活性，这样更利于减排，保护环境.

[参考文献]

[1]杜高辉,陆路,赵兴国,等.三效催化转化器研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2001,1(2):53-57.

[2]翁棣,唐先进,赵新景,等.汽车尾气催化处理实验研究[J].试验室研究与探索,2006,25(6)：611-614.

[3]程继夏,边耀璋.三元催化剂催化机理分析[J].长安大学学报(自然科学版)，2002,22(2):80-82.

[4]贺小昆,栾浩,刘沁曦,等.载体孔结构与三效催化剂起燃特性实验[J].稀有金属材料与工程研究,2011,40(7):1220-1224.

[5]黄盼,刘先树.三效催化转化剂的研究进展[J].环境开发与市场,2009,25(3):253-254.

[6]赵国涛.三效催化转化器在汽车尾气净化中应用[J].沈阳航空工业学院学报,2002,19(1):58-60.

[责任编辑马云彤]

Vol.18No.3Jul.2015