机动车尾气净化催化剂的研究与展望

刘志军

（中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200031)

机动车尾气污染物主要包括一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC），氮氧化合物（NOx）及颗粒物等，机动车尾气污染是空气污染的重要来源，对人类的健康危害也极大。本文概述了机动车尾气净化催化剂的研究现状，并针对未来机动车尾气净化催化剂的发展进行了展望。

1 机动车尾气净化催化剂的研究

1.1 催化剂载体

机动车尾气催化剂构成如图1所示。载体构成催化剂的支撑骨架，可以提供催化剂活性中心、节省活性组分用量，同时还提供较大的比表面积和适宜的孔结构，增强催化剂的机械强度和热稳定性。

图1 机动车尾气催化剂的构成

机动车尾气净化催化剂的载体主要有多孔陶瓷载体（包括堇青石载体和SiC 多孔陶瓷载体）、金属合金载体以及沸石载体、陶瓷纤维载体、玻璃纤维载体等。催化活性组分主要就是在高比表面载体上分布，这样才可以充分地发挥其作用。载体选择对于催化剂的活性会产生严重的影响，通过对载体进行处理可以降低催化剂的成本，提升活性组分利用率，提高催化剂机械强度，增强传热传质条件，增强耐压强度等。有效地增强催化剂的抗毒性能，应用载体会在一定程度上吸附、分解在燃油、润滑以及机油添加剂中的部分有毒物质。

在进行大空速操作处理中，如果反应热逐渐在催化床层中进行积累，则很容易降低催化剂的活性，产生副反应，其在不稳定的操作区域中很容易出现操作性的隐患问题。而通过载体则可以有效解决此种问题。

汽车尾气净化催化剂载体目前使用最多的为多孔陶瓷载体，具有高孔隙率、强热扩散能力、机械强度高、热稳定性好、比表面积大、催化活性涂层薄等优点。另一种载体是合金压成波纹状的整体性合金载体，具有较强的热稳定性，尾气排放的阻力相对较低，较强的排气动力性能，机械性能良好，载体的应用寿命延长等优势，但是金属载体表面光滑，毛细孔道不足，催化剂活性组分的负载相对较为困难，在进行催化剂的制备处理中工艺负载，成本相对较高，其具有较强的金属热膨胀系数等。

1.2 催化剂涂层

催化剂涂层材料是通过一种、多种金属氧化物形成的一种复合型粉体材料。在催化剂技术不断发展中，涂层材料高速发展，其逐渐发展为功能组合型。涂层材料是贵金属等活性组分的有效载体，可以增强催化活性的表面结构，在与贵金属的作用之下，形成了协调作业机制，可以充分地提升催化剂活性，增强整体的稳定性，提高了抗中毒性。目前所用较多的活性涂层为SiO2和TiO2等高熔点无机氧化物。

活性涂层在研究中的关键就是要在高温阶段维持整体的高比表面积，使得涂层与载体可以有效地结合与匹配，避免出现结块以及相变等问题。

现阶段在研究中主要就是通过添加稀土、过渡金属原始的方式，通过化合物直接的协调功效，在相互作用之下提升催化剂的热稳定性，增强整体的储氧能力，提升整体的助催化性能。在实践中通过多层活性涂层、应用氧化物进行处理，可以有效地增强整体的稳定性，避免出现高温劣化的问题。

1.3 催化剂助剂

催化剂助剂是汽车尾气催化剂研究的重要组成部分，其主要负载于活性涂层材料上。目前使用最多的主要有非贵金属、稀土金属以及碱土金属，如氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）、氧化镯（La2O3）等氧化物。助剂主要对催化剂性能的主要组分进行调变，自身的活性较低，甚至没有活性。将其添加到催化剂中，在与活性组分的化学、物理作用之下具有改善催化剂结构、活性性能的作用。

1.4 催化剂活性组分

催化剂的制备过程中利用前躯体溶液将催化剂的活性组分引入到载体中，然后经过干燥、煅烧还原等处理，使其分解为一种金属单质或一种氧化物，均匀分布在催化剂载体上。催化剂活性组分主要有贵金属、非贵金属两种类型。贵金属以铂、钯、铑最为常用，其具有起燃温度低、寿命长的特征，具有较强的催化转化的效率特征。但是贵金属的价格昂贵，在应用中很容易出现中毒等问题。非贵金属催化剂以过渡金属与碱金属氧化物为主要活性组分，其中，钙钛矿型三效催化剂具有优秀的催化性能和物理化学性质，通过催化组分可变性，可以选择合适的替代物进行金属离子价态的控制管理，达到增强整体反应活性的目的。此种类型的催化剂具有较强的转化率以及净化率。在高温状态之下较为稳定。但是相对于贵金属的催化剂来说其还原性能不足，起燃温度也相对较高。

2 机动车尾气净化催化剂的展望

机动车尾气净化催化剂发展可以有效地降低空气污染问题，是解决汽车高速发展导致的污染问题的关键因素。因此，要融合多种技术做好机动车尾气净化催化剂研究分析。

2.1 贵金属催化剂

贵金属催化剂目前使用最为广泛，有害气体净化率可达90%以上，但其也有一定的缺点，如高温失活、易中毒以及制造成本高，是影响其发展的关键因素。研究的重点是使用高效的催化剂载体，有效地降低贵金属用量。该高效载体应具有较强的电子传导能力、较大的比表面积和合理的孔结构，以及显著的抗腐蚀性。

现阶段主要研究的内容有贵金属催化剂技术、贵金属-非贵金属混合催化剂、纳米稀土材料催化剂以及超临界技术，此类技术应用前景广泛。

2.2 稀土材料的应用

三效催化剂主要就是通过载体、涂层、活性组分以及助剂四个部分共同构成。稀土材料一般用于三效催化剂的助剂、稳定剂和分散剂。其中助剂就是一种活性较低的添加物，甚至没有催化作用，通过添加到催化剂可以有效地增强催化剂的催化性能。现阶段研究的重点稀土储氧材料和La稳定的氧化铝材料，这两者对催化剂的性能起着最为关键性的作用。

纳米稀土催化技术已应用于汽车尾气处理过程中。在今后的研发中要寻找新型的可以替代或部分替代贵金属的催化材料，已成为研究的重点，在三效催化剂中利用纳米稀土粒子替代常规稀土化合物，可有效地提高尾气的净化率。纳米稀土具有较强的催化活性，氧化还原性能较强，可以有效地解决汽车尾气的污染问题。

2.3 ABO3 钙钛矿结构催化剂

稀土元素（如La、Ce等）和过渡金属元素（如Fe、Co 等）组成的ABO3钙钛矿结构催化剂具有净化率高、稳定性好、抗中毒能力强等优点，今后的研究重点是解决其还原性不足，起燃温度高和寿命低等问题。

2.4 新型汽车尾气净化技术

研究表明，低温等离子体技术可用于气体净化，其在机动车尾气处理方面也有着广阔的发展前景。但是其也具有一定的局限性，低温等离子体技术对于汽车尾气净化处理流程较为复杂，会受到各种因素的影响，在实践中也没有形成完整的理论。综合国内外研究，目前研究的方向是将催化技术与低温等离子体技术相结合，等离子体场可产生高能量活性粒子，促进催化反应的发生，同时减少能耗，让反应具有选择性，同时减少反应副产物。

3 结语

随着人们环保意识的不断增强，更加重视对机动车尾气的净化分析，通过研发新的催化剂可以有效地降低各种污染问题。总的来说，我国机动车尾气排放净化技术起步较晚，深入研究机动车尾气催化剂，可以降低机动车尾气造成的不良影响，有效地降低环境污染。在进行机动车尾气设计与开发中要优化催化剂的性能，开发出更高效、专一的催化剂，降低催化剂成本，提高催化剂的整体寿命。