工业催化课程设计
---汽车尾气净化催化剂
学 院：化学与化工 专 业：应用化学 班 级：0901班
姓 名： 乐 宁 0915020122 施妍婧 0915020116
汽车尾气净化催化剂
一、研究背景
随着空气污染问题的日益突出和汽车数量的迅速增加,汽车排放的废气已成为城市大气环境污染的主要污染源之一。汽车尾气中的有害物质主要有CO、NOx和HC,多环芳烃(PAH)以及悬浮物 ( SPM)等。NOx和HC在大气中经过一系列的光化学反应,易生成臭氧等多种氧化性很强的物质,形成光化学烟雾。光化学烟雾不仅严重危害人的健康,而且会对动植物和各种材料造成严重破坏。，随着国家环保法规的日益严格和完善，对汽车尾气排放的要求越来越高，对汽车尾气污染物进行净化并且大大降低污染物排放已是法规的强制要求。
整车排放满足排放限值，需要机内净化和机外净化相结合【1】。机内净化主要通过提高发动机燃油燃烧效率降低污染物排放，机外净化广泛使用的是安装催化净化装置，它可以有效地将尾气中的有害物质CO、HC、NOx转化成无害的C02、H20、及N2。
净化催化剂是催化净化装置的核心部分，被封装后应用在闭环电
喷车上，对排放的污染物实现催化净化。匹配筛选合适的催化剂需要根据汽车发动机排量、污染物排放特性以及催化净化器的预留位置或安装位置、离发动机的距离等参数来进行。
本文选择的阐述目标是三效催化剂，选用了耐高温、高比表面的活性氧化铝载体和耐高温、高储氧性能的稀土复合氧化物作为生产原材料。其次对贵金属Pd、Rh、Pt活性组分的配比和含量进行优化筛
【2】 选，并使用了双涂层双分散的制备工艺来提高催化剂的性能。
二、三效催化剂的催化作用原理及反应机理 2.1 三效催化剂的反应机理
汽车尾气主要成分为：HC（750 ppm）、NOx（1050 ppm）、CO（0.68% vol）、H2 (0.23% vol)、H20（12.5% vol）、CO2 (13.5% vol)。 2.1. 1一氧化碳氧化反应及反应机理
CO氧化反应：2C O+ O2 2C O2 ( 1 ) CO+H 2O—CO2+H2 ( 2 )
就CO氧化反应，在不同的催化反应体系中可以提出不同的反应机理。但是可以发现他们共同的结论是晶格氧或吸附氧参与CO的氧化，气相氧在催化剂表面吸附形成吸附氧或补充消耗的晶格氧。[3] 2.1. 2氮氧化物的还原反应及反应机理
汽车排放的尾气中，除了含有一氧化碳、未燃烧的烃类外，还含有氮氧化合物(NOx)，其浓度可达1000ppm，其中主要是NO，也会有少量的NO2。尾气中的氮氧化物是摄入空气中的氮气和氧气在高温高压下反应以及燃油中含氮化合物氧化生成的。在NO低温还原中(尤其在冷起动后)，Pt．Rh催化剂会产生一些NO，但在较高温度时，主要生成NO2。NO与CO反应中很重要的副反应。NO、NO2都是有毒物质，其净化有两个途径，一个是NOx的分解，另一个是NOx的还原。
2.2添加稀土复合氧化物的作用【3】
(1)储氧／释氧：汽车发动机空燃比的控制精度使尾气中氧含量在一定范围内波动，这种波动对催化剂中同时高效发生氧化反应
(HC、CO)和还原反应 (NOx)的气氛有一定的影响。为消除或减缓这种影响，催化剂组成中需加入一种储氧／释氧材料，利用这种储氧材料在氧过量时吸收氧及氧不足时释放氧的特性，能显著提高催化剂抵制发动机空燃比波动所造成的反应条件恶化的能力，提高催化剂的最终净化效果。
(2)提高催化剂载体的热稳定性：活性氧化铝载体是一种非稳态产物，它在高温下慢慢向无活性相态转变，久而久之使催化剂失去活性。稀土复合氧化的添加可以抑制这种相变的发生。
(3)提高催化剂抗毒能力：车用汽油中含有多种有毒物质，如S、P、Pb等。这些物质可以造成催化剂失活。而稀土复合氧化物在抗毒方面有一定作用，如三氧化二铈与硫化物生成稳定的硫酸铈，它在还原气氛中又释放出硫化物，在催化剂上转化成硫化氢同尾气一同排放，防止硫使得催化剂永久中毒。 三、三效催化剂制备的工艺技术路线 3．1三效催化剂的组成
三效催化剂是目前汽车尾气净化催化剂所采用的普遍形式，它可以同时将尾气中的主要有害气体HC、NOx、CO转化成无害气体。三效催化剂应用于闭环电喷系统中，通过对发动机空燃比的精确控制为三效催化剂中同时发生氧化和还原反应创造反应条件。不管三效催化剂的形式如何变换，它的主体结构都是由基体、活性涂层、活性组分三部分组成。活性组分负载在活性涂层中，涂层被涂附在基体上，经过处理后与基体牢固的结合在一起形成整体式催化剂。这里介绍的
催化剂的活性涂层主要由活性氧化铝、稀土复合氧化物、碱土金属、无机粘合剂等组成。 3.1．1主要活性组分
催化过程发生在陶瓷蜂窝孔道内壁上所涂的薄层多孔材料上。涂层中含有少量的贵金属Pt、Pd、和Rh，它们是催化剂的活性组分。有些催化剂含有三种金属，有些含Rh和其它两种金属之一。其中，n、Pd对CO、HC的催化氧化作用要比Rh更大，但对NOx的催化还原作用比Rh差的多。
3．2三效催化剂的制备工艺【4】
目前国内外三效催化剂的制备工艺普遍采用的还是先在蜂窝基体上形成氧化铝涂层，再将含有贵金属的浆液涂附在上面，或在蜂窝基体表面涂上一层不含贵金属的涂层，再将贵金属溶液浸渍在上面，或将贵金属活性组分负载到氧化铝载体上，再制备成浆液，然后再进行研磨、涂附及热处理的工艺方法。
无论采用何种催化剂制备工艺技术路线，其目的都是通过调整催化剂制备工艺参数，使活性组分分散更加均匀，各组成部分及陶瓷蜂窝基体达到良好匹配，催化剂涂层的牢固性和附着能力得到提高，以使催化剂能够在剧烈温度变化和剧烈机械振动和热气流冲击下有很好的活性，并能有很长的使用寿命。
这里介绍的主要生产工艺流程图如下：