负载型金催化剂在汽车尾气消除方面的应用

      
 
 
　　3.2.1 汽车尾气净化的原理和传统催化方法　
 
 
　　科学家们认真的分析了汽车尾气的消除原理和方法，同时也对以前常用的传统的催化剂作了分析。他们发现：机内净化器的主要优点是对尾气有害气体的排放有一定的净化作用, 成本低; 缺点是对尾气排放净化率不高。机外净化器的主要优点是对尾气排放净化率高, 如能正确使用, 寿命长; 缺点是成本高、排气阻力有所增大[27]。一般都在汽车上安装尾气净化器，并采用机外净化的方法，而且催化剂是净化器的核心部分，因而根据净化器的工作特点，净化器中的催化剂必须具备如下要
 
 
　　（1） 效率高；（2）耐热性好；（3）机械强度高；（4）使用寿命长；（5）抗毒性好。
 
 
　　尾气中的主要催化反应[27]为：           
 
 
　　CO+1/2O2―→CO2              
 
 
　　CxHy+(X+1/2)O2―→XCO2+1/2H2O              
 
 
　　NO2+XCO―→1/2N2+XCO2       
 
 
　　CO+H2O―→CO2+H2         
 
 
　　2NOx+2XH2―→N2+2XH2O              
 
 
　　2NOx+2XH2―→N2+2XH2O
 
 
　　由上面可知，在催化剂作用下，反应体系中不仅有NOx的还原反应，又有CO和CHx的氧化反应。如果要使用权这几种污染物达到最佳的转化，就要求反应体系中氧的含量处于总反应化学计量数，且催化剂要求能够高效且催化的范围广。传统的催化剂的发展经历了以下几个阶段[15]：（1）氧化型催化剂；（2）铂、铑双金属催化剂；（3）铂铑钯三元催化剂；（4）单钯催化剂；（5）新型铂铑或钯铑催化剂。           
 
 
　　由于排放标准的日益严格，对催化剂各种性能的要求也越来越高，特别是耐热和高效性。净化器中催化剂的床层温度可达1000℃以上，这进一步要求催化剂的耐高温性能。而传统催化剂则渐渐不能满足要求。  
 
 
　　3.2.2 负载型金催化剂在汽车尾气消除中的应用　在传统方法的催化方法上发展起来的负载型金催化剂在汽车尾气净化中也得到了相当的应用，金能够在温度低湿度高[21]的条件下对尾气进行催化，而且效果很好，世界许多科学家正设法用金来催化汽车尾气的反应。研究人员根据载金催化剂可以迅速地把CO氧化成CO2[29]，将NO还原为N2的多重特性[20]，使之加入汽车尾气排放处理系统中加以应用。而且此种催化剂比其他任何催化剂催化上述反应的工作温度都低，最低可达90K（-183℃），装入载金催化剂的催化转化器可在潮湿的室温下将汽车尾气转化为无害物质[17]。          
 
 
　　但负载型金催化剂暂时却不能取代其他铂族金属，原因是金的熔点只有1063℃ ，铂的熔点是1769℃[25]，且大多的催化净化器中的工作温度都在1000℃以上，负载型金催化剂的工作适中温度为600℃左右，应有低于600℃的净化器中应用。于是研究开发低温汽车尾气净化器，且利用金催化剂来消除尾气将成为很有前景的课题。             
 
 
　　3.2.3 负载型金催化剂在汽车尾气消除反应中的反应机理及其活性成分和活性中心　汽车尾气排放出的主要污染物为CO、NOx 、HCx 而且消除它们的反应也主要是通过化学反应来进行的，主要过程的方程式[8]：                
 
 
　　2CO+O2—→2CO2 ；               
 
 
　　CmHn+(m+n/4)O2—→mCO2+n/2H2O；           
 
 
　　2NO+2CO—→N2+2CO2；            
 
 
　　2NO2+4CO—→N2+4CO2 ；        
 
 
　　另外有文献表明：有O2气氛中，NO与低碳烃之间的氧化还原反应[24]分两步进行：                    
 
 
　　NO+O2—→NO2；                     
 
 
　　NO2+HC—→N2+CO2+H2O       
 
 
　　从热力学数据和化学平衡分析，只有良好的催化剂来催化，上述的化学反应才能完全完成。            
 
 
　　Goodman等通过STM和光谱研究得出金催化剂惊人的催化作用的机理归功于小的金粒子的量子尺寸效应。
Boyen等研究指出含有55个原子、直径为1.4nm的金粒子具有非常好的稳定性，并且Au55成为CO的活性位点。然而Narskov等使用密度泛函计算指出CO在含有10个原子的金粒子上的活化是能量上最有利的反应途径。此外Au3+催化剂中的作用也引起广泛的关注。Baker等指出公通过尺寸效应解释小尺寸金纳米晶体催化剂高的催化活性是不全面的，忽视了载体的重要性。后来国内外许多研究表明：小的金粒子和载体之间的交界面对于催化剂活性起着重要的作用，从而可知Bond-Thompson模型的重要性，从而CO、NOx的活性中心的研究引起人们的好奇和关注，至于催化的活性中心到底是什么，仍没有文献中表示出。            
 
 
　　因此可以断言汽车尾气成分（CO、NOx、CHx）和富氧的条件下[31]，吸附在活性级分的表面，O2则附在载体上，两者在金粒子和载体的交界面外反应生成CO2、N2、H2O等产物。而反应的原理如上面提到的几个方程式。负载型金催化剂为反应物提供一个优越的反应空间，从而起到了如此高效的催化活性。           
 
 
　　4 负载型金催化剂的前景展望                  
 
 
　　由于金催化剂的优良的催化特性，人们开始对其进行工业上的应用。其主要应用在两个方面[35]：      
 
 
　　（1）环境保护方面的潜在应用[34]：CO检测；安全的CO防护面具；清除空气中CO和臭气[34]；在封闭的不加热的CO2激光器中作CO2再生催化剂；用于燃料电池反应的催化反应[34]；用于以CO或丙烯清除NO的反应；用于清除卤化物的反应；低温自动催化等。
 
 
　　（2）化学反应与制造过程中的应用：乙炔的氯氢化反应；氧化反应，如CO氧化和从丙烯到丙烯氧化物的选择性氧化；催化燃烧，如饱和烃和三甲胺燃烧；氢化反应；水煤气反应等。                
 
 
　　但是实际在汽车尾气中大规模的应用并没有展开，这主要是由于现用的尾气净化器的净化原理中不适合负载型金催化剂的使用，目前在尾气处理中的催化剂主要为新的三元催化剂[38]。但是由于负载金催化剂的高效、稳定、低温抗水性等，只要改进净化器的原理就能使用高效的新型负载型金催化剂来催化汽车尾气，不但环保而且具有适应广泛的好处[39]。目前负载金催化剂也可以作为尾气净化气的催化成分之一，不过使用时要附加于其他催化剂中混合使用。            
 
 
　　在汽车尾气大量排放的今天，负载型金催化剂以其优越的特性受到越来越多的重视，同时国内外人士很多都在智力于金催化剂在汽车尾气消除中的应用[37]，并取得了相当的效果，负载金催化剂研究领域刚刚开始，却已经显示出巨大的潜力。另外负载型金催化剂有望能减轻装置的重量、缩小装置的体积并降低制造的成本。总之金催化剂将成为未来催化界上一道璀璨的光芒。          
 
 
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　　作者简介：李敏杰（1984-），助理工程师，从事环境监测工作。