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用于汽车尾气净化处理方面的纳米贵金属三元催化剂

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      在60年代,一辆轿车每行驶一英里,约会排出100克有害物质。为了应对日益严重的汽车尾气污染,全球各国制定了各自的汽车尾气排放标准与法规。全球汽车尾气排放标准有美国、欧盟、日本、印度等几个体系,我国主要参考欧盟体系。而现时美、欧、日等地的汽车每英里污染物排放量大概只有2克。汽车尾气催化剂的出现,使得汽车变得更加普及。

      内燃机的燃料在燃烧过程中,因多方面原因,造成燃烧不完全,其排气成份中除了二氧化碳(CO2)、水蒸汽(H2O),还含有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、铅化合物、硫化合物等。其中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)是造成环境污染的三种主要气态污染物。


      三元催化剂是汽车尾气三元催化转化器里使用的催化剂,用于对汽车尾气在排放前进行催化转化,同时对CO、HC、NOx分别氧化,将有害气体还原为对人体健康无害的二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水蒸气(H2O)。

      按活性组分来分,三元催化剂可分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂两种。随着对CO、HC和NOx排放的控制,贵金属铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)因其对CO、HC、NOx的转化有很好活性和选择性、较低起燃温度,因而在国外被广泛用作三元催化剂,贵金属对CO的氧化都具有很高的活性,但对HC的氧化反应只有Pt、Pd具有高活性,而Rh则是控制NOX的主要成分。Pt是最早应用于汽车尾气净化的催化活性组分,它的主要贡献是转化一氧化碳和碳氢化合物,Pt对一氧化氮有一定的还原能力,但是当NO浓度较高或有SO2存在时,它没有Rh有效。

      贵金属具有优异的催化选择功能,贵金属之间以及贵金属与助催化剂之间存在较为复杂的相干效应或协同效应,不同的贵金属组合方式、配比以及负载技术对催化剂表面组成、表面结构、催化活性和高温抗烧结性能产生很大的影响,而且助剂采取不同的加入方法对催化剂也会产生一定的影响。利用Pt、Rh和Pd间的积极协调作用而研制出新一代Pt-Rh-Pd三元催化剂,使催化剂性能有明显改善。各个厂商的配方不同且为重要的商业机密。

用于汽车尾气净化处理方面的纳米贵金属三元催化示意图


      Pd比Pt、Rh有更丰富的资源且价格较低,具有良好的低温活性及催化氧化活性、抗高温烧结性,有利于降低成本、提高催化剂寿命,并在某些性能上超过Pt、Rh,因此全Pd催化剂成为三元催化剂发展的一个重要方向。钯纳米颗粒催化剂在交叉偶联反应中往往具有很好的催化活性,不需要配体活化,是比较绿色实用的催化剂。


      下面说说三元催化器。三元催化反应器类似消声器。它的外面用双层不锈薄钢板制成筒形。在双层薄板夹层中装有绝热材料----石棉纤维毡。内部在网状隔板中间装有净化剂。净化剂:净化剂由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成,其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。净化剂实际上是起催化作用的,也称为催化剂。催化剂用的是金属铂、铑、钯。将其中一种喷涂在载体上,就构成了净化剂。


      三元催化反应器的工作原理是:发动机通过排气管排气时,CO、HC、和NOx三种气体通过三元催化反应器中的净化剂时,增强了三种气体的活性,进行氧化----还原化学反应。其中CO在高温下氧化成无色、无毒的二氧化碳(CO2)气体。HC化合物在高温下氧化成水和(H2O)和CO2。NOx还原成氨气(N2)和(O2)。三种有害气体变成无害气体,使排气得以净化。

凡是性能较好的三元催化器及其催化剂大多为铂(Pt)、钯(Pd)、铑、(Rh)等稀有金属制成,价格昂贵。


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