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车用三元催化转换器的研究进展及发展趋势

2023-11-22 来源:乌哈旅游
37/38 136—140 长春工程学院学报(自然科学版)2011年第l2卷第3期 J.Changchun Inst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2011.Vo1.12.No.3 墨蔓 Q : 坠 CN 22—1323/N 车用三元催化转换器的研究进展及发展趋势 贾同国,王银山,张玉龙 (天津职业技术师范大学汽车与交通学院,天津300222) 摘要:对三元催化转换器的发展历程进行了综述, 介绍了近些年三元催化转换器的研究进展,对转换 器的催化剂进行了详细介绍,指出稀土催化剂的发 展潜力。同时介绍了稀薄燃烧的催化转换器以及老 化的转换器再生技术的研究进展,并对发展趋势进 行了探讨。 关键词:汽车尾气;三元催化转换器;净化;冷启动; 稀土 中图分类号:TQ426.96 文献标志码:A 文章编号:lOO9-8984(2011)03-0136-05 2010年全国民用汽车产销量达到1 800万辆, 工信部预计2020年我国汽车保有量将超2亿辆。 汽车尾气的排放要求也越来越严厉,从2011年7月 1日起,我国将施行国Ⅳ标准,汽车尾气净化己成为 当前紧迫的任务。 三元催化转化技术是目前机外净化技术应用最 多最有效的方法。汽车尾气中的有害气体主要是 CO、HC和N0 [1],三元催化转换器的作用就是通 过贵金属催化剂铂、铑、钯在理论空燃比附近,通过 氧化和还原反应把这几种有害气体转化为无害的 C0z、H:O、N:和O。,净化效果可以达到9O 以上。 车用三元催化转换器经历了几个阶段的发展, 2O世纪7O年代,是将铂、钯负载在球状铝的氧化物 上,主要功能是净化CO和HC。对于N 主要还 是通过改进发动机的技术,减少其在源头的产生。 但由于球状载体使汽车尾气排放阻力增大、发动机 油耗上升、功率下降而逐渐被取代。到2O世纪8O 收稿日期:2011一O7一O1 基金项目;天津市科学技术委员会基金项目(2009GJA10018) 作者简介;贾同国(1984一),男(汉),山东,硕士 主要研究汽车排放控制技术。 年代中后期,为了减少N0 的排放,在催化器中加 人了铑,从而促使了初期的三元催化器的出现。它 可以达到同时净化HC、CO、NO 的目的。但由于 贵金属的资源稀少并且需求量增加,导致这一代的 转换器制造成本较高。在2O世纪9O年代以后,由 于对汽车燃油经济性的要求更高,苛刻的排放法规 陆续颁布,为了获得好的燃油经济性并不以牺牲转 化器的转化率为代价,三元催化转换器的研究向抗 高温老化、稀薄燃烧、低温冷启动、替代性低成本催 化剂和高存储载体等方向发展。 1 目前国内外的研究现状 1.1催化剂的研究进展 1.1.1单钯型催化剂 由于钯的价格比铂、铑要低,资源相对较丰富, 并且在低温下活性和耐热性也优于铂和铑。为了降 低催化器的成本,提高催化剂的抗热性,单钯催化剂 便成为三效催化剂发展的一个重要方『句L。。 20世纪9O年代,国内外的科研工作者将钯添 加铈(Ce)负载在AlzO ,得到对N0 的活性较好的 Pd—Ce-Ba/AlzO。,也有将少量贵金属Pd和稀土元 素La、Ce和过渡金属研制成了Pd-稀土催化剂,对 CO、HC的氧化具有低的起燃温度和高的活性以及 良好的热稳定性,对N 的还原能力达到Pt-Rh催 化剂的85 以上。此外,钛(Ti)、钐(Sm)和一些碱 土金属氧化物也经常被用作助剂。Huang[ ̄-q等发 现Pt—Rh/Ti0z/A1 20。催化剂能有效还原NO , 并有较强的抗S0 中毒能力。 Pd催化剂的不足之处是对铅、硫等毒物比较敏 感,而且在高温下容易与Rh形成合金使催化剂活 性降低。Kim等[5]人用溶胶法制备出一种以钒与 锆为助剂的单钯催化剂,单钯催化剂具有很好的低 温活性、热稳定性与抗SO。毒性。Rodrigo 研究 贾同国,等:车用三元催化转换器的研究进展及发展趋势 137 了添加钼(Mo)的钯催化剂,制备了单钯催化剂 PdosMOR,单钼催化剂Mo。.8MOR和钯/钼混合催 .(d)另一个优点是化合价可以提高金属催化剂 的催化活性[1 。 化剂Pdo.8Moo.6MOR和Moo.3Pd MOR,比较了对 不可忽略的是钙钛矿催化剂作为高效型催化剂 在工业化生产中,还存在一些问题:首先稀土元素中 的钴(Co)虽然活性很好.但却属于德国环境标准 No的催化和对NO 的生成作用,发现当钼含量较 高时,可以大大提高对No的吸附作用,从而间接地 提高了转化率。 1.1.2替代型稀土催化剂 稀土是元素周期表中15个镧系元素以及与镧 (TA—luft)认定的一种致癌物质,其次钙钛矿型催化 剂需要增加在辅助材料上的比表面积,扩大与尾气 的接触几率。最后着眼于汽车上的应用,它也需要 系密切相关的2个元素称为稀土元素(Rare Earth),一般以氧化物的形式存在。由于稀土元素 具有特殊的电子结构,使其具有特殊的物理和化学 性能,特别是具有特殊的光、电、磁和催化性能,使稀 土氧化物具有氧化和还原的双重特性,能在还原气 氛中供氧,在氧化气氛中耗氧。因此,应用稀土代替 部分贵金属制成催化剂,与过渡金属氧化物相作用 能显著提高催化剂的活性和抗铅中毒性能,并能提 高催化剂的使用寿命、增加热稳定性[7]。 稀土催化剂相对于贵金属催化剂不仅成本低, 而且能获得满意的净化效果。汽车尾气净化催化剂 中添加的稀土元素主要有:铈(Ce)、镨(Pr)和镧 (La)等。目前应用较广的稀土催化剂主要是钙钛 矿复合型氧化物催化剂,国内外工作者进行了详尽 研究,其对CO,HC的转化活性较高,但是对N 的还原活性要低于贵金属催化剂。汽车用催化剂的 钙钛矿型化合物有钴酸盐和锰酸盐,钴钙钛矿La- CoO3和PrCo03以及锰钙钛矿AMnO3(A=Pr, Nd,Ba,Sr)是相当活泼的C0氧化催化剂,且对铅、 硫、磷的抗中毒能力优于贵金属催化剂。此外,掺杂 了CeO。和CeO的催化剂的热稳定性、储氧性能、催 化性都得到很好的改善,CeO。内掺杂Zro2制备成 的CeO -ZrO2-MO(M—Pr.Y La)具备最佳的氧储 存、释放反应活性,并表现出较高的耐热性能I8一“]。 Hirohisa等人对钙钛矿催化剂的活性特点总结 如下: (a)在LnMO。(Ln一镧系元素,M一过渡金属) 的钙钛矿中,氧化催化活性主要由过渡金属元素决 定,按活性顺序钴>锰>镍>铁>铬。 (b)在LnMO 钙钛矿,还原气氛的结构稳定性 也取决于过渡金属,按顺序排列为铬>铁>锰 >钴>镍。 (c)钙钛矿催化剂结构的一个优点是增加了过 渡金属氧化物的热稳定性 提高对硫的化学稳定性。 钯/钙钛矿在固体溶液的分离循环中实现了自 我再生能力,并且不需要其他辅助处理措施。通过 对X线吸收的精细结构光谱分析,阐述了自我再生 的作用机制,自我再生功能出现在一个很高的速度 和很宽的温度范围。当钙钛催化剂处于还原和氧化 环境的波动过程中时,钯原子会像钯阳离子进入格 子框架一样进人钙钛催化剂表面,并像钯微粒一样 从钙钛催化剂里面出来。就好像钯原子具有再生功 能一样。这种自我再生功能为未来汽车催化剂发展 提供了一个新的和非常有价值的选择。 同时还制备并验证了一种无钴的钯/钙钛矿催 化剂I.aFe ,。Pd O 为了克服低的比表而积难 题,用复合技术制成了支持耐热材料晶体的复合材 料载体,在其上形成和分散出钙钛矿催化剂,从而得 到理想的高比表面积的复合催化剂。并且将复合钙 钛矿材料置于下层,铂和铑分散在上层以避免硫中 毒和减少冷起动HC排放。据估算,若这一技术得 以推广,全球每a可以节约100 t的钯,显示出巨大 的应用潜力。 1.2冷启动的催化剂研究进展 2O世纪9O年代以来,对于冷起动问题的关注 始终没有减弱,经过不断努力,主要在三方面有了很 大的进展,在载体上,对堇青石的蜂窝制造上艺的小 断改进,几何面积的增加不仅提高了载体的传热速 度,还可以使压力损失减小,大大地提高净化效率。 除了对载体的几何结构改进外,还可以采用紧耦合 式或辅助加热方法来实现。 1.2.1 紧耦合式催化转换器(Close—Coupled Cata— lyst即CCC) 通过缩短转换器与发动机排气口的距离来实现 提高冷启动的转化效率。在靠近发动机歧管排气VJ 处,温度可以在瞬间达到1 000℃以上,三元催化剂 可在短时间起燃,达到减少排放的目的。由于这时 138 长春工程学院学报(自然科学版) 2O11.12(3) 的催化剂在近千度的高温条件下工作,容易引起表 面积收缩、烧结和晶粒长大等现象,导致催化活性的 1.3稀薄燃烧的催化转换器研究进展 为了在发动机体内尽量消除HC和CO,稀薄 大幅度下降。因此,在高温操作条件下,如何更好地 稳定催化剂的活性组分,是当前研究的重点问题之 一燃烧技术已经得到了广泛的认可,空燃比可以高到 17~22,在富氧环境下HC和CO得到最大限度的 。据报道加入锆、镧、钕、钇可以减缓高温时活性 燃烧,充分提高了燃油的利用率,也降低了尾气污染 物,但稀薄燃烧带来的最大问题是NO 生成量的增 加。所以如何很好地控制NO.的量成为推广稀薄 燃烧的关键问题。目前国外的研究主要集中在 组分的增大和催化剂比表面积的减小,从而提高反 应的活性。目前,耐高温性能最好的催化剂,能经受 1 050℃的老化实验,活性没有明显衰退,比商品催 化剂的耐热性有了很大的提高[】引。 1.2.2冷启动阶段加热 在冷启动时还可以采用前置小体积的催化剂、 电加热和点燃尾气等手段直接电加热以促使三元催 化剂快速起燃,使金属载体的催化剂在5~10 s内 就达到催化剂的起燃温度,从而控制冷起动阶段的 有害物质排放量。但其缺点是需用到金属载体,增 加了加热系统的部件,使得总体成本比较高。现在 达到实用阶段的方法有车载诊断系统(On-Board Diagnostics即OBD)方法监控催化转的工作效率等 复杂和昂贵的电路控制系统,一般有双氧传感器法、 双碳氢传感器法和双温度传感器法3种类型。 Bernnat[14]等人将化工业的“热集成”概念引 人,并在转换器上设计了一个逆热交换件,这个部分 需要额外供热,在转换器的右端设置一个燃料燃烧 器,这部分热量提供给三元催化转换器的载体加热, 发动机的尾气从左端的人口进入转换器,先后经过 逆流热交换段,再经过柴油油烟过滤器过滤,然后再 经过氧化催化剂和N()I存储催化剂,在载体的通道 内转换一圈,最后从排气口排出,如图l所示。这样 可以比较快地给转化器加热,延长尾气与催化剂表 层接触的时间,从而达到改善发动机的冷启动状态 的尾气净化效率。实验测得其用于加热的辅助燃料 用量远远小于发动机的用量,但这一设计的缺点是 对排气压力的影响较大,笔者认为如果将辅助燃料 燃烧器置于侧面进行加热,而还原发动机尾气的直 线流动,减小对排气系统背压的影响,就可以不影响 发动机的性能。 排气口 NO.存储 氧化 尾 气 进 人 逆流热交换段 油烟过滤器 图1 热集成单元催化转换器 N0 吸附和还原催化剂,提高三元催化剂在氧化性 气氛中对N0 催化还原的选择性,两段式催化剂以 及氨循环一还原法等。 1.3.1 NO 吸附和还原催化剂(NO storage and reduction,简称NSR) N 吸附和还原催化剂是目前治理稀燃NO 比较有效的方法。它含有贵金属和碱土金属两部 分,目前研究得最多的NSR催化剂为贵金属let和 碱土金属为Ba,以及大比表面积的载体(如 Al2O )组成。 Sara【l 等人研究了使用二甲醚为替代燃料的 尾气中对NO 的吸附和净化效果,试验表征净化效 果良好。Naoto[ ̄3等人对NSR的工作过程进行了 阐述,在富氧条件下,N0 被贵金属氧化成NO。,然 后与N 存储物形成硝酸盐,以硝酸根离子状态暂 时被吸收在Ba等储存材料中,在稀氧条件时HC、 CO和Hz在Pt的作用下被直接氧化成CO。、H。O 和Nz。从而实现对N0 的净化。催化剂的碱性越 强,NO 储存量越大。如图2所示。 0 HC , O。2H 富氧时以 Ba(NO3) 的形式存储 稀氧时还原成N。。 但是NSR也有它的缺点,该催化剂虽然储存性 能好,但抗硫性能差,易生成稳定的BaSO 物种而 失活。因此,提高NSR催化剂的抗硫性能,完善 NSR吸附和还原催化剂是研究热点。国内的刘 咏[1 等用K代替Ba。采用分步浸渍法制备出了 Pt/K/TiOz-Zro2催化剂,实验结果表明,Pt/K/ TiO -ZrO。催化剂对NO 能力要优于Pt/Ba/ Al2O3,并且Pt/K/TiO2一ZrO2对硫的脱附温度比 贾同国.等:车用三元催化转换器的研究进展及发展趋势 Pt/Ba/Al2O。硫化催化剂大约降低了200℃。Pt/K/ TiO。-ZrOz催化剂显示出更为优越的储存能力和抗 硫性能。 1.3.2尿素水溶液选择性还原技术(Selective Cat- alytic Reduction即SCR) 当尿素水溶液进入高温的尾气系统后立即分解 为一分子NH。和一分子异氰酸,异氰酸再和尾气中 的H。O作用后又将提供一分子的NH ,生成的 NH。将NO。还原为N。放出。经过测试,其N0 平均转化率达到7O 。 Tennison[埔 等人设置了一套以尿素水溶液作 为还原剂的选择性催化还原系统,如图3所示,系统 上游由发动机排出的HC和C0通过氧化催化器来 转化,尿素水溶液由Ford公司开发的空气辅助喷射 系统喷入废气流中,添加的尿索还原剂用作SCR金 属沸石基的催化剂,在稀燃状态下将N 还原为 Nz。实验表明在有快速升温程序时测得的排气管 中的N 比无快速升温程序时约低5O 。 厂..1h 图3车载排气系统示意图 稀N 捕集器(LNT)通过氧化催化器、尿素 水溶液SCR系统及柴油机颗粒催化过滤器(CDPF) 的综合利用,在Ford Focus柴油车上论证的排放与 到超低排放(即ULEVII,NO 为0.05g/mile)水平 相差无几。N 的转化率在冷起动(FTP一75)循环 时为9O 以上。快速升温策略和最具活性的SCR 系统及尿素喷射量的有效控制,使NO 的高效转化 成为可能。从SCR中逸出的氨完全被转化成N , 未发现有氨排放到大气中,实现了对N 的良好的 转化。 1.4老化转换器的再生研究 对于老化的三元催化转换器的再生也得到了许 多学者的关注,Stavroula[ 。 等对老化三元催化器 催化活性的原位再生方法进行了研究,该方法用弱 草酸对老化的三元催化器进行洗涤,不仅可以清除 催化剂表面沉淀的杂质使其暴露出来,还可以增大 139 载体涂层的比表面积。实验显示比表面积可以增大 约35 ,改善了气流的流通效果,从而使转化器的 催化性能得到显著恢复。这种再生方法的效果很 好,在类似的研究报道中是比较有发展前景的。 2 结语 用三元催化转换器可以很好地净化汽车尾气, 将其直接转化为无害物,不仅操作方便而且避免了 二次环境污染。目前各种催化剂也应运而生,但净 化的效果会受到发动机T作状态变化、催化剂老化 和中毒失效的因素影响,所以对催化剂的研究还有 待进一步加强。笔者认为,由于稀薄燃烧对燃油利 用率的优势,未来的催化转换器将以此为目标进行 NO 还原的研究有很大的发展空间,另外对于稀土 催化剂的成本优势和良好的净化效果也将成为发展 的一个重要方向。 参考文献 [13蒋彬,王振华,侯丽华。等.一种新型空气滤清器的研制 [J].长春工程学院学报:自然科学版,2000.1(1):26 —27. 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