飞驰的烟囱，金属“贵族”的“盛宴”

苏更林

在地球上，川流不息的汽车无疑是一个伟大的发明。然而，汽车在为我们带来速度和效率的同时，也在污染着我们赖以生存的环境。发生在汽车烟囱里的“革命”，就是治理汽车尾气污染的一剂良方。

解放了双腿，污浊了大气

对于燃油汽车来说，其前行的动力来自汽油等燃料所蕴含的化学能。燃料在内燃机中的燃烧就是其释放化学能的基本过程，然后将其转化为汽车运动的机械能。

在这个过程中，燃料的燃烧不可避免地会产生一些废气。我们通常称其为汽车尾气。我们知道，汽车尾气的主要成分是二氧化碳，这是汽油等燃料燃烧的终极产物之一。二氧化碳作为一种主要的温室气体，被认为是导致全球变暖的“元凶”。实际上，汽车尾气的成分是极其复杂的，对大气造成的污染是十分巨大的。那么，除了二氧化碳，汽车尾气中还有哪些有害成分呢？

一氧化碳 说起一氧化碳，大家一定不会陌生。这是一种无色无味但有毒的物质，煤气中毒的罪魁祸首就是它。一氧化碳会降低血液的输氧能力，严重时会导致人体组织因缺氧而死亡。汽车尾气中的一氧化碳含量不一，主要取决于烃类燃料的燃烧程度。一氧化碳作为燃烧的中间产物，主要是由于烃类燃料不能完全燃烧而产生的。一般在汽车空挡运转、慢速行驶或负重过大时，燃料往往燃烧不够充分，因此废气中一氧化碳含量就会增加。

烃类物质 也就是我们常说的碳氢化合物。汽车尾气中的碳氢化合物成分比较复杂，既有饱和烃，也有不饱和烃，还有含氧碳氢化合物，如醛类化合物等。就其来源来讲，一般包括未燃烧的燃料烃、不完全氧化的产物以及燃烧过程中部分被分解的产物等。在大气中，碳氢化合物作为光化学烟雾的前体物质之一，其氧化分解产物氢氧自由基是形成光化学烟雾的关键因素。20世纪40年代，发生在美国洛杉矶的光化学烟雾事件，就是由于汽车燃油排放的碳氢化合物、氮氧化物以及当地的地理环境和气候因素共同作用的结果。光化学烟雾的某些成分（如过氧乙酰硝酸酯、甲醛等）对人的眼睛具有明显的刺激作用，并对鼻、咽、喉、气管以及肺部等具有刺激作用。光化学烟雾还会降低大气的能见度，从而影响人们的出行；同时，光化学烟雾对植物也有一定的毒害作用，会造成农作物的减产。

氮氧化物 从燃油燃烧的过程来看，其排放的氮氧化物主要是一氧化氮（大于95%），剩余的主要是二氧化氮。一氧化氮为无色无臭的气体，高浓度的一氧化氮会导致人体血液缺氧，并引起中枢神经麻痹。二氧化氮为具有刺激性的红棕色气体，并对人的呼吸系统具有危害性。二氧化氮在日光的照射下会产生原子氧，原子氧与氧气的结合可以生成臭氧。二氧化氮通过光化学反应还会产生硝酸盐二次颗粒，是形成灰霾的主要因素，从而导致空气质量下降。同时，二氧化氮与水蒸气发生作用，还是形成酸雨的重要原因之一。

发生在烟囱里的“革命”

其實，应对汽车尾气危机并不是当今社会独有的问题，从18世纪后期开始，工业革命的迅速兴起，加速了汽车工业的崛起，空气污染对人类健康的影响日益突出。

1909年，法国化学家弗伦克尔在第七届国际应用化学大会上提出“用催化剂来促进燃烧”的方案。然而，弗伦克尔作为解决汽车尾气排放问题的“吹风者”，并没有引起人们的足够重视。

真正让烟囱里的“革命”实施落地的是法国工程师胡德里。胡德里是一个痴迷汽车的传奇人物，在汽车的发展历程中留下了他的创新足迹。

胡德里出生于1892年，其父亲为结构钢制造商，他在大学主修机械工程，毕业后，他在父亲的钢铁企业工作。

第一次世界大战后，胡德里作为一名业余公路赛车手，对汽油的品质极为关注。他曾致力于用褐煤合成汽油的研究，并因此成为了合成燃料的先驱。但由于合成燃料的成本明显高于进口汽油，法国有关方面终止了对该研究的资助。后来，胡德里接受美国一家石油公司的邀请来到美国。1930年，胡德里发明了晶体硅酸铝催化剂，并开发了一种用于制造高辛烷值燃料的催化工艺，他因此获得了珀金奖章等多项荣誉。

20世纪四五十年代，美国洛杉矶等汽车密集的城市相继发生光化学烟雾事件。胡德里再次把研究的目光投向催化剂，以解决由燃油燃烧造成的污染问题。1952年，他研制出了催化转化器并注册了专利。这些催化转化器主要应用于工厂的烟囱中，而未能在汽车烟囱中获得应用，其原因是汽油中添加的抗爆震剂四乙基铅会使催化转化器失效。

为了把“净化空气”行动落到实处，1973年美国启动了含铅汽油淘汰计划。1975年，美国汽车烟囱“革命”迎来了转机，世界上第一款量产的催化转化器开始成为汽车的一个部件。

如何为汽车尾气“消毒”

说到汽车烟囱里的“革命”，到底催化转化器有着怎样的秘密，居然能把汽车尾气中的有害成分转化为无害成分？

催化转化器之所以能把汽车尾气中的有害成分转化为无害成分，其技术核心就是催化剂。汽车催化剂包括两个部分，即主催化剂和助催化剂。主催化剂是以贵金属为代表的活性组分，助催化剂多由稀土或贱金属材料组成，主要是提高催化剂的活性和稳定性。

20世纪70年代，汽车尾气净化催化剂主要为铂-钯氧化型催化剂，可有效地把尾气中的一氧化碳和碳氢化合物转化为二氧化碳和水。这样的设计是由当时的环保法规要求决定的。

20世纪70年代末到80年代，汽车尾气净化催化剂主要为铂-铑双金属催化剂，这是基于某些国家对氮氧化物排放进行控制的实际要求而设计的。但由于该型催化剂易受铅的毒化，其应用效果并不理想。

现在广泛应用的汽车尾气催化转化器多为三元催化器，即铂-钯-铑三效催化剂。目前车用催化转化器一般是由催化剂、金属壳体、垫层、陶瓷载体四部分组成的。其中的催化剂是催化转化器的核心部分，主催化剂为铂、钯、铑三种贵金属，助催化剂多为铈、钡、镧等材料。

主催化剂中的铂、钯、铑皆为铂族元素，因其电子结构独特、催化活性显著而受到青睐，并因资源稀少、提炼困难而变得极其珍贵。据悉，除了铂的价格略低于黄金外，钯和铑的价格都比黄金高，甚至铑的价格是黄金的8.3倍。因此，把铂、钯、铑称为金属中的“贵族”是恰如其分的。

在三种贵金属中，铑负责催化还原，钯负责催化氧化，铂对两者都有活性。正是它们的分工协作才完成了尾气的转化任务，即将汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化为二氧化碳、水和氮气，从而达到净化汽车尾气的目的。

治理汽车尾气污染始终是防治空气污染的重头戏，也是我国“十四五”规划的重点和难点。从技术的角度来讲，控制汽车尾气排放包括机内净化措施和机外净化措施两大部分。我们所说的汽车烟囱里的“革命”，则属于机外净化工艺。机内净化措施和机外净化措施的结合，将是未来治理汽车污染的出路。特别是从汽车总体技术着手改进，并采用清洁能源、优化发动机结构、调整燃烧方法、改进操作条件、强化机外净化等，将有助于有效治理汽车尾气污染。

有序回收让“贵金属”重生

据悉，三元催化转化器中的“贵金属”含量因类型不同而存在差异。标准催化转化器中的含量，一般铂为3～7克，钯为2～7克，铑为1～2克。

也许你会认为以“克”计的添加量并不算多，然而乘以巨大的汽车基数那可就是一个巨量数字了。截至2022年3月底，我国机动车保有量达4.02亿辆，其中汽车3.07亿辆。就世界而言，大约有15亿辆汽车穿梭在地球上。

再来看看铂族元素的储量。铂族元素在地壳中的分布极微，其平均丰度多以ppb（十亿分之一）来表示。如铂的平均丰度为5ppb，钯的平均丰度为15ppb，铑的平均丰度为1ppb。以铂族元素的产量来看，大约有60%以上的铂被用于汽车尾气处理催化剂。

随着汽车数量的增長以及环保标准的提高，用于汽车尾气处理的“贵金属”存在资源枯竭的可能。破解刚性需求与资源不足矛盾的突破口，在于寻找替代品以及回收贵金属等。

要知道，寻找替代品需要技术上的突破，因此需要时间来攻关。贵金属回收虽有一定难度，但回收技术已基本定型。不过，在《国家危险废物名录（2021年版）》中，机动车和非道路移动机械尾气净化废催化剂被列为危险废物。

原来，废汽车尾气净化催化剂含有重金属、有机污染物等危险成分，处置不当会对水体、土壤、植被和动物等造成危害，并通过食物链危及人体健康，因此需要具有资质的正规企业来进行处置。

科学有序回收汽车尾气废催化剂中的“贵金属”，一方面可以回收铂、钯、铑等贵金属资源，另一方面还可以从源头上治理废旧汽车尾气净化催化剂污染，因此具有十分重要的意义。