尾气催化净化技术：汽车排气有效净化方法

汽车排放的尾气中含有许多有害成分，主要是CO、NOx和碳氢化合物（HC）（使用含铅汽油时还会排放含铅化合物）。CO和碳氢化合物是燃烧不完全所产生的，NOx则是汽缸中的高温条件造成的。它们能长期存在于大气中，会进一步通过光化学反应而生成毒害性更强的光化学烟雾。

对汽车尾气净化主要有三个途径：一是燃料的改进与代替；二是发动机内部控制；三是发动机外部净化。机内控制就是利用发动机本身工作过程来降低汽车排放污染物，它是汽车排放控制的主要方法之一。世界各国汽车生产厂家在化油器和发动机方面分别采取了很多措施，如电控燃油喷射、氧传感器控制技术等，所有这些措施对减少汽车排放污染物都有一定效果，但仅靠机内控制还不能彻底解决汽车排气污染问题。国内外的经验证明，净化汽车排气最有效的方法是尾气催化净化技术，因而安装尾气净化器的发动机外部净化方法成为当前解决汽车尾气污染最重要的手段之一。

（1）机外净化原理

机外净化是在催化剂存在的条件下，利用排气自身的温度和组成将有害物质（CO、NOx、HC）转化为无害的H2O、CO2和N2。根据化学反应类型不同，又将其分为催化氧化法和催化氧化还原法。

催化氧化法是在催化剂的作用下，将有害物质HC和CO转化为无害物，由于反应中除去两种有害物质，因此称为二元净化，该反应中的催化剂称为二元催化剂。

催化氧化还原反应是以CO和HC作还原剂，将NOx还原为N2，由于反应中净化了三种有害物质，因此称为三元净化，该反应中使用的催化剂称为三元催化剂。

在使用三元催化剂特别是贵金属催化剂时，要严格控制空燃比，只有空燃比在14.7±0.1范围内时，HC、CO和NOx净化能力最佳，三者的转化率均大于85%。当空燃比小于此值时，反应器处于还原气氛，NOx的转化率升高，而HC和CO的转化率则会下降；当空燃比大于此值时，反应器处于氧化气氛，HC和CO的转化率升高，而NOx的转化率则会下降。除此之外，还必须使用无铅汽油，防止铅、硫、磷等使催化剂中毒。催化净化装置的结构较为简单，主要由催化剂载体、净化器壳体、减振材料和消声装置等部分构成，其核心是催化剂。

（2）汽车尾气净化催化剂

对汽车尾气净化器所用催化剂的基本要求是：能同时净化CO、HC和NOx三种有害物质；必须同时具有高温（80℃以上）和低温（0℃以下）活性，以保证其在高温下不被烧结，在低温时又能发挥催化作用。

①活性物质

经过二十多年的研究开发，已开发出四代汽车尾气净化催化剂。(www.xing528.com)

第一代催化剂的活性组分为普通金属（Cu、Cr、Ni）氧化物，其原料来源丰富、成本低，但催化活性差、起燃温度高、易中毒，属于二元催化剂，现已基本不用。

第二代催化剂主要以贵金属铂（Pt）、钯（Pd）、铹（Rh）和铱（Ir）为主要催化活性组分。贵金属中的Pt或Pd催化氧化HC、CO、Rh或Ir催化还原NOx，属于三元催化剂。具有活性高、寿命长、净化效果好等优点。缺点是成本高、高温性能不理想、易中毒、对空燃比要求苛刻等。

第三代和第四代催化剂主要是稀土金属铈（Ce）和镧（La）的氧化物，其特点是价格低、热稳定性好、活性较高、使用寿命长。特别是具有抗铅中毒的特性，因而，受到人们的重视。

在贵金属催化剂中添加少量稀土元素制成的催化剂称为贵金属一稀土催化剂。加入稀土元素的目的是提高催化剂的催化活性和热稳定性。如在Pt-Pd-Rh三元催化剂的活化涂层中加入CeO2不仅可以使γ-A12O3在高温下表面积保持稳定，而且能使贵金属微粒的弥散度保持稳定，避免活性受损。再如钯催化剂具有价格相对便宜、供需矛盾不突出等优点，但钯催化剂在催化还原NOx方面效果欠佳，为弥补其不足，可以加入镧（La），这种Pd-La催化剂在性能上完全可以和Pt-Rh催化剂媲美。

稀土催化剂主要是采用CeO2和La2O3的混合物为主，加入少量的碱土金属和一些易得金属制备的催化剂。因其价格低、热稳定性好、活性较高、使用寿命长而备受青睐。

②催化剂载体

在早期，汽车排气的二元净化催化剂载体主要采用氧化铝小球，但由于其耐热性能较差、孔隙率低、阻力大，易对发动机的性能造成不良影响而逐渐被蜂窝陶瓷所取代。蜂窝陶瓷载体具有低膨胀、高强度、耐热性能好、吸附性强、耐磨损等优点。目前蜂窝陶瓷载体多用堇青石做原料，堇青石（铝硅酸镁）不但有低的膨胀系数、良好的耐化学腐蚀性及良好的耐热性（安全使用温度1400℃），而且本身的气孔率较高。

（3）三元催化净化器

三元催化净化器是装有三元催化剂能够同时净化汽车排气中的HC、CO和NO。的汽车尾气净化器。

汽车发动机排出的废气经三元催化反应器，排气中的HC和CO通过催化氧化反应可转变成无害的CO2和H2O，而NOx通过催化还原反应可转变为无害的N2，净化后的气体可直接排人环境。在排出口装有氧感受器，可随时将排气中的氧浓度信号传给控制器，通过控制器来调节空燃比。氧传感器是净化系统的关键部件，目前我国生产的氧传感器受氧化锆材料的影响，其使用寿命不理想，因此该净化系统的推广应用受到一定限制。