汽车尾气催化研究进展

1、汽车尾气催化研究进展汪兴志08化工班摘要：利用工业催化技术催化净化汽车尾气是处理汽车尾气的重要手段,通过对汽车催 化剂的不断开发与更新，已出现了种类繁多的工业催化剂:贵金属催化剂，贵金属一非贵金属 混合催化剂，纳米稀土材料催化剂等。贵金属催化剂已广泛工业化应用，而具它催化剂一直 是该领域研究的热点，尤其是纳米材料的出现为该领域增添了不少新的活力。关键词:汽车尾气;催化净化;催化剂引言据统计，2009年我国首次成为世界汽车产销第一大国。随着现代工业和交通业的发展, 汽车排放的尾气污染物fi益增加，其尾气中的co、nox和各利媲类hc占到了大气污染物的 50%,尾气中所含的co、hc和nox不仅造

2、成了严重的人气污染，而且严重危害了人类的健 康。co是人们所熟知的有害气体,hc和nox在太阳光作用下可产生光化学烟雾。为此，如何 利用工业催化剂行z冇效地净化汽车尾气，为人类的健康“排忧解难”成为时代的难题。其 基本原理是借助催化剂的作用，将co , hc和nox发生氧化述原反应从而转化为无毒c02,出0 和经过无数催化学者的不懈努力，汽车尾气催化剂的开发与应用己进入了一个崭新的 阶段。1 正文1. 1催化基础理论催化剂的定义：催化剂是一种物质，乂称触媒，能够改变反应的速率而不改变该反应的 gibbs 口由焙变化，这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反应为催化反应。在催化反应里, 往往加入催化

3、剂以外的另一种物质，以增强催化作用，这种物质叫做助催化剂。催化剂的分类：从催化剂与所参与的反应所处的物态角度口j以把催化剂分为三类，均相 催化剂、多相催化剂、生物催化剂;从催化剂改变反应速率的角度可以把催化剂分为正催化 剂（加速反应速率）和负催化剂（减慢反应速率）。从催化剂的状态来分乂可以把催化剂分 为固体催化剂、液体催化剂、气体催化剂。汽车尾气催化剂属于固体催化剂，由载体、活性 组分和助催化剂三部分组成。催化剂的作用原理：和反应物一起参与反应，降低了反应所需要的活化能。催化剂可在 不改变反应物的情况下，经由只需较少活化能的路径来进行化学反应。1. 2 研究现状1.2. 1贵金属催化剂汽车尾气

4、的成分为nox、co、hc、固体悬浮颗粒、铅、二恶英。而其中需要净化的主 要成分为nox、co、hc。co、hc是在局部缺氧或低温条件下坯不完全燃烧而产生，nox是 火花塞点火瞬间高温高压下空气中的2、02反应的产物。要彻底净化汽车尾气，就要想办 法将nox、co和各种坯类hc这3种物质同时除掉，这就耍求研制一种新型的鬲效催化剂， 具有既能述原nox,又能同时氧化c0和hc的多重功能,经过无数科学家及催化工作者的不 懈努力与探究，研制成功了具备上述功能的催化剂三效催化剂。目前用的最多的是贵金 属催化剂,主要是pt、pd和rh等。三效催化剂净化汽车尾气的机理如下：2c0+0l2c024hmctl

5、+ (m+4n) 02 -2mh20+4nc02 (8n+2m) n0+4h3cn-> (4n+m) n2+2mh20+4nc02 2n0+c0-n2+2c0?4nh3+502-*4n0+6h20nox的净化(催化还原)：贵金属组分rh和pd对nox具有催化还原作用。对反应有催化作用。co、hc的净化（催化氧化）：贵金属组分pt或pt-pd对co、hc具有催化氧化作用。对反应有催化作用。工业上普遍使用的是由pt - pd组成的催化剂。原因有如下三点：（l）pd对汽车尾气屮 的s容易中毒；（2）pd在还原气氛下易燃烧；（3）pd与rh生成合金相使rh的活性降低。此催化反应为气固相反应,为了

6、让催化剂充分发挥其催化作用，就需要提高其活性而积。 将活性组分进行负载能达此冃的，冃前普遍使用的载体是蜂窝状的青石陶瓷。采用整体式, 其优点冇气流阻力小、几何面积人、无磨损、耐高温、催化转化率高等。此外，还需在载体 上加助剂如ce、la等稀土金属以提高催化剂的热稳定性。另外，还可将贵金属以原子状态形式负载在a1a . si02、tio?、zro2等上形成催化 体系表现岀更好的催化活性。此体系催化性能比一般的pt/ ai2o3和pt/ si02更好。贵金属催化剂虽然具有较高的活性，但其成本较高,低温活性差,s02等杂质易引起催化 剂中毒，高温易发生烧结失活，因此近些年来国内外竟相开展了其他催化剂

7、的研究。2 2 贵金属-非贵金属混合催化剂有研究表明,贵金属-非贵金属混合催化剂的活性耐热性和寿命更强，如在非贵金属汽 车三效催化剂屮加入微量pd，能改善其三效初活性和耐热性。而在其屮加入稀土氧化物 （圖、ce02等）后，不仅能增强贵金属汽车催化剂的活性,还能同时提高co、nox和hc的 转化率，提高贵金属分散度，减少贵金属用最。目前启些催化学者研制了 nox储存还原型三效催化剂。该催化剂由贵金属（主要是 pt）、碱土金属（主要是ba）.稀土氧化物（主要是s2o3）组成。其催化机理为：no+o2no2（此步为贵金属催化剂起作用）n02+n0x存储物->n0：（此步为碱土金属催化剂起作用）

8、富氧条件卜'no首先在贵金属上被氧化成q,然后与nox存储物形成硝酸盐，以硝酸根离子 状态暂时被吸收在ba等吸收储存材料中，当吸收到一定程度时，使发动机在浓于理论空燃 比的混合油气下燃烧，这时会产生多余的co、hc和lb，再利用它们将nox还原成无害的2 和 h20o3 3 纳米稀土材料催化剂目前，世界汽车尾气催化剂市场上主要是贵金属催化剂，它对co, hc和nox同时具有很 高的催化转化效率。以pt, pd和rd等贵金属为活性组分的催化剂不仅有合适的坯类吸附位, 而h.有大量的氧吸附位。随着表面反应的进行，能快速发生氧活化和坯类的吸附。稀土元素外层电子结构相似，稀土元素间的催化性能差

9、别比较小，总的催化活性比不上 外层电了结构的过渡元索及贵金属元索。在现行的实用工业催化剂中，稀土一般只用作助催 化剂或催化剂中的-种活性组分，很少作为主体催化剂。作为贵金属催化剂的助剂，稀土能 够提高和改变催化剂的性能，英助剂的作用远远大于传统意义上的碱金属或碱土金属元素。 我国的汽车排放污染严重，然而我国贵金属贫乏而稀土资源丰富，因此稀土应川于汽车尾气 处理在我国得到广泛的应用。稀土在汽车尾气净化催化剂中主要是具有储氧和催化作用，将 英加入催化剂活性成组中，能提高催化剂的抗铅、硫中毒性能和耐高温稳定性，并能改善催 化剂的空燃比工作特性。而空燃比决定着催化剂的效率，在理论空燃比下，吸收的大气正

10、好 足以提供完全燃烧，而在稀燃状态下，催化剂的转化效率不高。所以稀土应用于汽车尾气净 化处理有着重要的意义。纳米材料作为汽年尾气催化转化剂减少了贵金属的用量。利用纳米金属超微粒子负载在 活性氧化铝上成型、烧结后作为汽车尾气净化催化剂。纳米材料催化剂净化汽车尾气机理如noo-noxnox+hc->n2nox+con2在该催化剂作用下，首先由氧与no反应牛成氧化氮，再将氧化氮与hc或co反应，还原成 氮气。由于目前贵金属资源严重缺乏.使用廉价催化材料替代贵金属用于尾气净化具有极其 重要的意义。用纳米级稀土化合物代替贵金属作催化剂，纳米级粉体具有极强的氧化还原能力，它的 应用可以彻底地解决汽车

11、尾气中co和nox的污染问题。纳米级稀土化合物具备特殊催化特性。稀土元素原子结构特姝，内层4f轨道末成对电 子多，原子磁矩高，电子能级极其丰富，比周期表屮所有其他元素电子能级跃迁的数目多1 -3个数量级;稀土金属活泼，儿乎可与所有元素发牛作用，容易失去电子形成多种价态、多 配位数（从3-12）的化合物，从而具有独特的催化作用和性质，将其加人催化组分，会大 人提高贵金属催化剂抗毒性能、高温稳定性，同时降低贵金属用量。因此，稀十是一种理想 的汽车尾气净化催化剂或助剂。乂由于材料制成纳米颗粒后具冇表面和小尺寸等效应，使材 料性能发生突变，从而产生其他更为优界的性能、因此将稀土材料制成纳米材料应用于机

12、动 车尾气净化处理将有其他材料无法比拟的效果。我国稀土资源丰富，开发纳米稀土材料催化剂可冇效利用稀土资源，把我国的资源优势 转变成经济优势。4 存在问题和发展趋势汽车尾气催化净化方法应用ii益广泛，种类繁多的催化剂也应运而生。催化净化方法可 直接将尾气转化为无害物,既避免了吸收、吸附等净化方法可能产生的二次污染，乂使操作过 程得以简化。但fi前有些催化剂还存在以下缺点：催化剂的热稳定性和抗so?能力低;催化 剂的操作温度范围窄;催化转化率不高等。现代催化技术迅速发展，己从授初昂贵的化学催化剂向催化活性高、专一高效地生物催 化剂发展。除前而提到丿应用广泛的贵金属催化技术、贵金属-非贵金属混合催化技术、纳米 稀土材料催化技术外，低温等离子体技术、超临界技术等都是新兴的汽车尾气净化处理技术, 应用前景一片大好。5 结束语随着公众坏保意识的增强，汽午尾气排放标准和法规的日益严格,在汽车工业和交通业 迅速发展的今天，人们对汽车尾气净化捉出了新的要求，而采用高效的尾气催化净化器，则是 有效解决这一问题的技术发展方向。我们可以从以下儿个方向努力。在催化剂设计与开发方 面，我们要寻求更高效、专一的催化剂，比如离子液体催化体系；在催化剂制备方面，我们 要采用先进的科学技术，可控、方便、高效地制备；