汽车尾气催化剂载体研究现状及发展

袁艳婷

摘 要：目前国民经济不断提高，汽车的使用量逐渐增加，与此同时汽车尾气排放带来的环境污染问题也越来越严重。因此，目前迫切解决的是汽车尾气排放的问题。本文介绍了汽车尾气净化载体的特点与种类，并比较它们之间的优缺点及未来的发展趋势。

关键词：汽车尾气；净化；催化剂载体

引言

随着我国经济社会持续快速发展，国民生活水平不断地提高，汽车的使用量也不断上升。截止2017年底6月底，全国汽车保有量达2.05亿辆，与2016年相比增加了938万辆，增加了3.18%。汽车保有量地不断增长，随之带来的是汽车尾气排放日益严重。汽车尾气由100多种物质组成，其中最主要的污染物有：一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、碳烟颗粒物等[1]。这些污染物不仅对环境造成严重的影响，而且对人类的身体造成极大的伤害。

由于人类赖以生存的自然环境受到汽车尾气的污染，针对严峻的环境问题，对于尾气的处理问题，发达国家制定了一系列相应的排放法规，形成了以美国，欧洲和日为代表的三大汽车排放法规。中国在欧洲排放法规的基础上形成了自己的排放法规，并在全国各地已经开始采用国Ⅳ、国Ⅴ标准。

为使汽车尾气排放达到相应的排放标准，对于汽车尾气治理，目前大多数国家采用的是尾气净化催化装置。尾气净化装置的原理是：汽车尾气通过净化装置使有害气体变成无害气体。因此需要用大量的催化载体，载体的性能也直接影响催化剂的性能，从而会影响尾气净化效果。

1.催化剂载体应具备的条件

汽车燃油烧烧后排出气体的温度一般在300～500℃之间，这样催化剂载体通常需要再冷热交替状态下工作，而且汽车总体运行工况是复杂多变的，所以催化剂载体应具备足够的机械性能，良好的耐冲击性能与导热能力，适当的空隙结构和空隙率，较低的热膨胀系数，较大的比表面积，与催化剂不反应，且低成本的特点。

2.汽车催化剂载体的分类及现状

目前汽车尾气后处理装置所使用的催化剂载体的种类比较多，主要有多孔陶瓷载体和金属陶瓷载体。

2.1多孔陶瓷载体

目前不管是国外还是国内，汽车尾气催化剂载体材料使用最多的就是多孔陶瓷。陶瓷载体主要分以下几种：

（1）堇青石多孔陶瓷载体

堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2））载体具有优良的抗热震性能，良好的吸附性能，较高的机械强度，且烧结温度较低的特点而被广泛使用[2-3]。堇青石载体采用挤出成型，微波干燥，高温烧结的工艺。1972年，美国康宁公司通过挤压成型技术首先开发了具有低热膨胀系数的堇青石蜂窝陶瓷载体，其制备的蜂窝陶瓷净化器应用到各种车型上。1979年，美国康宁公司又接着推出更高性能的蜂窝陶瓷载体。1996年，日本 HONDA 公司就已经生产出了 600 孔/平方英寸的产品[4-5]。目前对于堇青石蜂窝陶瓷载体的研究集中在通过各种方法来降低蜂窝陶瓷的热膨胀系数和增加单位面积孔的数目，具体方法如：原料选用片状或层状结构的高岭土，通过高岭土在堇青石蜂窝陶瓷的定向排位 来降低堇青石的热膨胀系数；引入一部分高纯的无定形的SiO2 来降低堇青石蜂窝陶瓷的热膨胀系数等。

（1）SIC多孔陶瓷载体

与堇青石多孔陶瓷载体相比，SIC载体的机械性能，耐腐蚀，耐高温性能远远高于堇青石，但是SIC烧结温度更高，一般的烧结温度需要再2200℃左右进行，所以对载体制备的烧结难度过大。但是由于更优的性能，SIC多孔陶瓷载体有很好的应用前景，近年来受到很大的关注。

2.2 金属载体

在80年代，随着对于载体的深入研究，金属载体逐渐出现。金属载体具有更高的空隙率且导热系数大，机械强度高等特点，比目前的蜂窝陶瓷载体更有优势，在未来会有更好的发展前景。目前可用作汽车尾气净化器的金属载体材料主要是Fe- Cr- Al、Ni- Cr、Fe- Mo- W等3类合金。从加工性能和经济价值等方面考虑Fe- Cr- Al被认为是最具应用前景的一类，因此金属载体的研究也主要围绕Fe- Cr- Al而进行。

2.3 其他载体

2.3.1 颗粒型载体

在汽车尾气净化催化装置开始使用初期，颗粒型载体是最早使用的形式。颗粒型载体是由多个直径为3-4mm的活性氧化铝（r-Al2O2 ）小球堆积而成。这种载体具有比表面积大，价格便宜，装填容易，在使用初期被广泛使用，但是由于但这种载体的孔结构在纵向上没有连续不受阻挡的流动通道"因此会导致发动机排气阻力和背压大&油耗上升&功率下降，且容易使活性氧化铝活性氧化铝（r-Al2O2）变成无活性（r-Al2O2）等缺点，现在已经被淘汰。

2.3.2 活性炭载体

活性炭载体具有很好的比表面积，较高的孔隙率且孔结构良好，但是活性炭载体的抗冲击性能差，机械强度弱，所以应用效果不佳。

2.3.3玻璃纤维载体

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，以叶蜡石、石英砂、石灰石等天然无机非金属矿石为原料，按一定的配方经高温熔制、拉丝、络纱等数道工艺秘制而成，具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、隔热、电绝缘性能好等性能[6]。因玻璃纤维的这些优良性质，所以也应用在汽车尾气净化载体中。

2.3.4 陶瓷纤维载体

多孔陶瓷纤维是一种纤维状的轻质的耐火材料，所以由陶瓷纤维制备的载体具有质轻，耐高温，耐腐蚀性好，比表面大，使用寿命长，且三维贯通气孔等优点。但由于受到陶瓷纤维的长度和编制性能的影响，导致三维编制技术高，从而使价格比较昂贵[7].

3 总结

随着汽车行业越来越发达，尾气排放越来越严重导致全球环境状况日益严重，人民爱护环境、保护环境的意识越来越强烈，随着而来的汽车尾气排放法规也会越来越严格。所以在未来很长一段时间，汽车尾气净化装置也一定会是研究的重点。人们的注重点也会倾向于改善催化载体性能的提高，降低催化剂价格，延长载体的使用寿命，相信在不久的将来，环境问题会得到很好的改善，人们的身体健康也会得到更有力的保护。

参考文献：

[1]谭镜明.汽车尾气三效催化剂简介[J].广东环境科学，2007，22（1）：20-21.

[2]Lachman I M， Mc Nally R D. Monolithic honeycomb supports for catalysis[J]. Chemical Engineering Progress， 1985， 81（1）： 29-31.

[3]Saggio -Woyansky J， Scott C E， Minnear W P. Processing of porous ceramics [J]. American Ceramic Society Bulletin， 1992， 71 （11）： 1674 -1682.

[4]PM The and P Day.The catalytic converter ceramic substrate-an astonishig and enduring invention[J].Interceram intemational ceramic Review.2000.49（49）：20-23.

[5]李艳丽.新型蜂窝陶瓷的制备与性能研究[D].武汉 ：华中科技大学，2005.

[6]韦鑫，沈兰萍. 玻璃纤维的研究现状及发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报，2016，33（4）：179-181

[7]鲍君峰，罗虞霞，张康.机动车尾气净化用载体、催化剂、涂层、及等离子催化剂新技术研究状态[J]热喷涂技术，2016，8（4）：67-70.