汽车尾气催化研究进展

来源:我要调查网 发布时间:2011-11-28 21:30:44 浏览:1116次
汽车尾气催化研究进展

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【报告描述】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—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,而其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。

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汽车尾气催化研究进展

汪兴志

08化工①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—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,而其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日益增加,其尾气中的CO、NOx 和各种烃类HC占到了大气污染物的50 % ,尾气中所含的CO、HC和NOx 不仅造成了严重的大气污染,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之有效地净化汽车尾气,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发生氧化还原反应从而转化为无毒CO2 ,H2O和N2 。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已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,又称触媒,能够改变反应的速率而不改变该反应的Gibbs自由焓变化,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可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又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烃不完全燃烧而产生,NOx是火花塞点火瞬间高温高压下空气中的N2、 O2反应的产物。要彻底净化汽车尾气,就要想办法将NOx、CO 和各种烃类HC这3种物质同时除掉,这就要求研制一种新型的高效催化剂,具有既能还原NOx,又能同时氧化CO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:

2CO+O2→2CO2                                                 …… ①

4HmCn+(m+4n)O2 →2mH2O+4nCO2                                                      …… ②     

(8n+2m)NO+4HmCn→(4n+m)N2+2mH2O+4nCO2                                      …… ③

2NO+CO→N2+2CO2                                                                       …… ④

4NH3+5O2→4NO+6H2O                                      …… ⑤

NOx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③④⑤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①②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:(1)Pd对汽车尾气中的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,为了让催化剂充分发挥其催化作用,就需要提高其活性面积。将活性组分进行负载能达此目的,目前普遍使用的载体是蜂窝状的青石陶瓷。采用整体式,其优点有气流阻力小、几何面积大、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Al2O3 、SiO2 、TiO2 、ZrO2 等上形成催化体系表现出更好的催化活性。此体系催化性能比一般的Pt/ Al2O3 和Pt/ SiO2 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,SO2 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的研究。

1。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中加入微量Pd ,能改善其三效初活性和耐热性。而在其中加入稀土氧化物(La2O3 、CeO2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,减少贵金属用量。

目前有些催化学者研制了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La2O3) 组成。其催化机理为:      

NO+O2→NO2      (此步为贵金属催化剂起作用)

NO2+NOx 存储物→NO3-     (此步为碱土金属催化剂起作用)

富氧条件下NO 首先在贵金属上被氧化成NO2 ,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H2 ,再利用它们将NOx 还原成无害的N2和H2O。

1.2. 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烃类吸附位,而且有大量的氧吸附位。随着表面反应的进行,能快速发生氧活化和烃类的吸附。

稀土元素外层电子结构相似,稀土元素间的催化性能差别比较小,总的催化活性比不上外层电子结构的过渡元素及贵金属元素。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一种活性组分,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,其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,因此稀土应用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,将其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。

纳米材料作为汽车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下:

NO+O2→NOx

NOx+HC→N2

NOx+CO→N2

在该催化剂作用下,首先由氧与NO反应生成氧化氮,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殊,内层4f轨道末成对电

子多,原子磁矩高,电子能级极其丰富,比周期表中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,几乎可与所有元素发生作用,容易失去电子形成多种价态、多配位数(从3一12)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,会大大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,稀土是一种理想的汽车尾气净化催化剂或助剂。又由于材料制成纳米颗粒后具有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异的性能、因此将稀土材料制成纳米材料应用于机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有效利用稀土资源,把我国的资源优势转变成经济优势。

2  存在问题和发展趋势

汽车尾气催化净化方法应用日益广泛,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,又使操作过程得以简化。但目前有些催化剂还存在以下缺点:催化剂的热稳定性和抗SO2 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, 已从最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。除前面提到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。

3   结 束 语

随着公众环保意识的增强,汽车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提出了新的要求,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。我们可以从以下几个方向努力。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;在催化剂使用方面,基于催化剂的高效性,我们要尽量减少催化剂的用量,尽量做到催化剂的再生重复利用。

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