汽车尾气净化催化剂研究现状及发展前景

催化化学论文

论文题目：汽车尾气净化催化剂研究现状及发展前景

学院：化学与化工学院

专业：化学

班级：化学131班

学号：**********

学生姓名：**

2016年6月6日

汽车尾气净化催化剂研究现状及发展前景

摘要：汽车排放的尾气是严重的大气污染源之一,尾气中含有大量的NO x、碳氢化合物(HC)及CO,尾气污染不仅影响了大气环境，对于人类的身体健康也非常不利，汽车尾气净化催化剂是减少汽车尾气中污染物的有效方法之一，安装汽车尾气净化设备可以有效降低尾气的污染，净化催化剂可以将这些有害物质的绝大部分转化为无害的N2、CO2和H20。本文主要就汽车尾气净化催化剂研究状况和发展前景进行论述。

关键词：汽车尾气；净化；催化剂；现状；发展前景

正文

1.汽车尾气的成分

汽车尾气包含100多种成分。主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、

氮氧化合物（NO

X ）、硫化物（SO

X

）、细微颗粒物、二氧化碳（CO

2

）、甲醛（HCHO）

和丙烯醛(CH

2

=CHCHO)等。每年汽车排放的主要污染为25亿吨CO、4.5亿吨HC和2.2

亿吨NO

X

。这些排放物严重地影响大气和生活环境。汽车尾气是大气污染的主要来源之一, 汽车尾气净化器催化是控制汽车污染的重要手段。因此本文综述了汽车尾气净化催化剂及其载体的研究进展, 包括催化剂及其载体的分类及研究进展。提出了汽车尾气净化催化剂的研究发展方向。

2.汽车尾气净化的概况

随着我国经济的飞速发展，汽车作为一种现代化的交通工具正逐年增加，国家环保部发布的《2012年中国机动车污染防治年报》称，我国已连续3年成为世界机动车产销第一大国。机动车污染已成为我国空气污染的重要来源，是造成雾霾和光化学烟雾污染的重要原因，因此机动车污染防治的紧迫性日益凸显。

在影响污染物排放的诸多因素中，进人气缸的汽油质量F与空气质量A之比

A/F是最显著的因素。为了完全燃烧，理论上所需的化学计量比略有不同，一般为A/F=14.7左右。当A/F>14.7时,称为富氧燃烧，此时，CO与HC的排放浓度减少，但NOx的浓度增加；当A/F<14.7时，称为贫氧燃烧，此时NOx的排放浓度减少，而CO与HC的浓度增加。使用催化剂转化三者时，其转化效率与尾气中残余的氧浓度亦即A/F比密切相关。理论A/F比附近的一个狭窄区间( 称为“操作窗口”)应用三效催化剂，可使排气中NOx、HC和CO达到很高的转化率。

汽车尾气净化技术主要包括两个方面：机内净化和机外净化。机内净化主要是改善发动机燃烧状况，以降低有害物质的生成。如：改进进气系统，供油系统和燃烧室结构等。这些技术与汽车发动机设计及制造水平密切相关。很显然，机内净化只能减少有害气体的生成，而不能除去已经生成的有害气体。机外净化是在尾气排出气缸进入大气之前，利用转化装置将其中的有害成分转化为无害气体。尾气转化装置包括: (1)热反应器。向排气口喷入新鲜空气，并加强排气管保温，

利用尾气本身的热量使CO、HC继续氧化,转化为相对无害的CO

2和H

2

O。(2) 催化反

应器。利用催化剂将CO、HC 和NOx转化为CO

2、H

2

0和N

2

。由于汽油燃烧过程中，

有害气体的生成不可避免，热反应器对CO、HC的转化效率有限，且不能对NO

X

进行转化。因此,催化净化是解决尾气污染最根本有效的方法。

国外发达国家已经广泛研究高效三效催化剂，提出了欧Ⅲ、欧Ⅳ标准，正向超低排放甚至零排放发展，国内新排放法规已颁布并正在实施，但由于国内三效催化剂研究起步较晚，国产三效催化剂没有大规模的应用，国产净化催化剂产业前景十分广阔。汽车尾气催化剂的研究开发涉及到化工、发动机、液体力学、新材料等很多学科，但其中催化剂的研究和制备是关键，特别是开发与研究国内资源丰富的含稀土车用催化剂，减少国内资源贫乏的贵金属用量，寻找到稀土与贵金属复合催化净化汽车尾气的规律，是今后研究的主要方向。

3.催化剂的研究及生产现状

汽车尾气净化催化剂的分类方法很多，根据催化剂的活性组分不同可以分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂两类。鉴于我国稀土储量丰富，我国从1990年起对非贵金属如Cu，V，W，Mn，Fe，Ni，Co，Zn和稀土等混合氧化物为活性组分的汽车尾气净化剂进行了系统研究。发现不添加稀土，以具有氧化还原特性的过渡元素为活性组分的催化剂具有较低的起燃温度，但是抗老化性能差，寿命低。而

等稀土复合氧化物催化剂，抗老化性能得以改善，但具有钙钛白矿结构如LaCoO

3

是低温催化活性极低。截止到目前，非贵金属催化剂的使用没有得到令人满意的效果。研究的重点已经向贵金属催化剂倾斜，主要是利用加入稀土元素进行改性，以减少贵金属用量。

贵金属催化剂是现在被广泛研究和使用的一类催化剂，应用最多的是

Pt-Rh-Pd金属催化剂，其对CO，HC和NOx有较高的三效催化活性。但是3种贵金属资源短缺，价格昂贵。Pd，Pt，Rh的价格比为1∶3∶18，Pd储量相对丰富，价格相对低廉通过改善制备工艺、添加稀土助剂实现Pd对Pt和Rh的部分或全部取代，发展单Pd型催化剂成为近年来的一个趋势。添加La，Ce等稀土元素的单Pd型催化剂具有良好的催化氧化CO，HC 的能力，同时拥有较好的NOx 催化还原性能，另外其低温活性较高。一个致命的缺陷是其抗Pb和S中毒能力差，随着无铅汽油的推广应用，这一问题才得以缓解。

4.汽车尾气净化催化剂的发展

汽车尾气净化催化剂自从上个世纪70年代发展至今，大致经历了四个阶段：第一阶段：铂(Pt)、钯(Pd)氧化型催化剂。它是70年代的第一代产品，由于当时汽车排放法规只要求控制CO和HC的排放，所以它仅对CO、HC有催化作用；

第二阶段：氧化—还原双段催化系统。它是70年代末随着NOx排放法规的出台发

又被复原为展起来的第二代产品。在还原段，NO被还原成NH3，但经氧化段后NH

3

NO，所以它未得到实质性的应用；

第三阶段：三元催化剂(TWC)系统。它是80年代发展起来的第三代产品，主要成