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（NOX ）、硫化物（SOX）、细微颗粒物、二氧化碳（CO2）、甲醛（HCHO）和丙烯醛(CH2=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NOX。

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CO2和H2O。

(2) 催化反应器。

利用催化剂将CO、HC 和NOx转化为CO2、H20和N2。

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NOX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LaCoO3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NH3NO，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，主要成分是铂(Pt)、铑(Rh)等贵金属，通过TWC加上氧传感器闭路循环反馈系统控制空燃比(A/F :空气与燃料质量比)在化学计量比附近，实现对CO、HC和NOx的同时高效催化净化, 目前仍是热点和主流产品；第四阶段：单金属钯的TWC。

它是1992年出现的产品，主要目的是用价格相对低廉的钯部分或全部代替价格昂贵且资源储量日趋减少的铂和铑。

目前研究热点在于稀土和钯的氧化物混合作用替代贵金属，如钙钛矿型(ABO3)，尖晶石(A2BO4)等复合氧化物催化剂。

5.汽车尾气净化催化剂的组成汽车尾气催化剂主要由四个部分组成:载体、高比表面涂层、活性组分和助剂。

5.1载体汽车尾气催化剂多为负载型催化剂，载体是催化剂的一个重要组成部分，由于汽车运行工况复杂，对催化剂载体提出了很高的要求。

早期的载体是以活性氧化铝、硅氧化镁、硅藻土为原料制得的颗料物，表面积大，使用方便，但存在压力降和热容大、耐热性差、强度低和易破碎等缺点，故80年代后逐渐被蜂窝整体式载体所取代。

目前，蜂窝状整体式载体的材质分为陶瓷和金属两种。

陶瓷载体：是由许多薄壁平等小通道构成整体，具有气流阻力小、几何表面大、无磨损等优点。

其材料主要为堇青石，一种铝镁硅酸盐陶瓷，其化学组成为2Al2O3·2MgO·5SiO2, 熔点1450℃在1300℃仍然能保持足够的弹性，热膨胀系较低，抗热冲击性突出。

金属载体：这类载体主要是Fe-Cr-Al等元素组成的合金，载体的成型主要是将40～50μm的金属箔材，压制成波纹状，由波纹板与平板金属制成蜂窝状的整体结构。

由于金属本身的一些特点，整体型金属载体已引起人们的注意。

金属载体具有：起燃温度低、起燃速度快，薄的孔壁、能提供更大的几何表面积和更开放的集合结构、比陶瓷蜂窝载体有更高抗热冲击的机械强度、具有预热性能好和压降更低等优点，目前在欧洲也有一定的应用与研究。

载体是影响催化剂效能的重要因素之一，催化剂载体包括陶瓷体、金属蜂窝体、氧化铝小球及金属网状骨架等冈。

催化剂载体的主要作用是提供有效比表面积及适宜的孔结构，并使催化剂获得好的机械强度及热稳定性，起着活性中心和节省活性组分用量的作用。

一般来讲，理想的车用催化剂载体应具备下列关系：①不含使催化剂中毒的物质；②高的稳定性；③适宜的比表面积及细孔结构；④足够的机械强度；⑤较小的气流阻力；⑥适度的导热系数、比热容和密度。

目前我国采用的汽车尾气净化催化剂载体通常有金属合金载体和阳极氧化铝膜载体两种，成球形和蜂窝形。

金属合金载体在国外已有应用，阳极氧化铝膜载体正成为国内外研究的热点。

5.2高比表面积涂层由于载体的比表面积不能满足催化剂要求，因此，通常在载体表面涂敷一层高比表面积涂层。

涂敷方法主要有：浸涂法、溶胶—凝胶法、预涂法和化学气相沉积法等。

理想的涂层可使催化剂有合适的接触比表面积和孔结构，改善催化剂的活性和选择性，保证助剂活性组分的分散度和均匀性，提高催化剂的热稳定性，同时还可以节省活性组分的用量，降低成本。

目前多选用活性γ-Al2O3，γ-Al2O3通常超过90%，它可使催化剂的内表面积提高到20000m2/L，大大提高催化的效率。

此外，汽车在工作状态下排气温度很高，要求Al2O3涂层有较高的耐热性。

研究表明：800℃以下Al2O3以γ-Al2O3形式存在，温度升高至发生相变；1100℃时晶相转变为α-Al2O3，使比表面积降低，易脱落,蜂窝载体较好的结合；减少涂层对载体的弱化作用。

据介绍，目前国外涂层已将可忍耐的温度的上限提高到800～1050℃, 而中国还低于800～900℃。

提高抗高温能力可通过添加一些稀土氧化物、过渡族金属氧化物或碱土金属氧化物来实现的，但稳定化机理还有待进一步研究。

5.3活性组分活性组分是指催化剂中起主要作用的物质。

催化剂活性组分有贵金属活性物、贱金属活性物以及稀土金属活性物。

在三元催化剂中主要是钯、铂和铑三种贵金属，它们以原子或几个原子组成的原子簇的形式高度分散在氧化铝涂层上，各司其职, 相互配合，对尾气起到较好的净化作用。

Rh 主要促进NOx的还原，Pd、Pt主要用来加快CO和HC转变为CO2和H2O。

Pd-Pt-Rh三元催化剂可在较高的操作温度下工作。

一辆汽车的催化净化器中铂、铑、钯的典型用量分别为Pd(0～8.28 g)、Pt(2.12～7.53 g)、Rh(0.4 ～0.70g)，各厂家根据技术工艺的不同，贵金属的使用量大有不同。

三种活性组分的单金属和复合金属的活性如下：氧化CO 、HC :Pt/Rh =Pd/ Rh >Pd >Rh >Pt，还原NOx =Pd/Rh >Rh >Pd >Pt，由于铂和铑是贵金属中的贵金属, 储量和产量都比较少。