唐磊，熊新，李晓军，蒋益，任志远

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

汽车尾气净化催化剂的载体研究综述

唐磊，熊新，李晓军，蒋益，任志远

（盐城工学院汽车工程学院，江苏 盐城 224051）

随着汽车工业的快速发展，全球汽车的拥有量也在逐年的增加。现如今，控制汽车尾气污染物的排放已成为当前社会急需解决的问题。文章主要介绍了催化剂载体的特点、催化剂载体的种类，分析了它们的优缺点以及特点。并且对未来的研究开发方向提出了意见。

颗粒状载体；蜂窝状载体；载体材料

CLC NO.:U473Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-15-03

引言

随着我国汽车行业的飞速发展，汽车数量逐步增加。虽然汽车给我们带来了极大的便利，但是伴着而来的是尾气排放的严重问题。尾气当中污染物主要有固体悬浮颗粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物以及铅硫氧化合物等等。这些污染物严重影响了空气质量。空气质量的下降严重影响了人们的日常生活，对人类造成了极大的伤害，所以为了维持人类赖以生存的环境，全世界对汽车尾气排放提出了严格的要求。

为了使汽车尾气的排放达到排放标准，许多汽车尾气净化器随之诞生。它的目的就是让汽车尾气中的有害物质通过净化器之后变为无害气体，然后再排到大气当中。在所有的净化器当中，催化剂能够使尾气当中的有害物质通过化学方式分解为无害气体排放到大气当中，减少了污染，但是催化剂想要在汽车尾气净化过程中达到最佳的效果，必须选择合适的净化器载体和材料，所以人们除了研究催化剂的性能外也会重点研究催化剂载体。而本篇文章主要针对汽车尾气净化催化剂的载体进行研究。主要介绍了催化剂载体的特点、催化剂载体的种类[1]，分析了它们的优缺点以及特点。并且对未来的研究开发方向提出了意见。

1、净化催化剂载体的特点

催化剂载体性能的好坏对催化剂的活性以及使用寿命有非常大的影响。所以选择理想的催化剂载体可以有效的减小汽车尾气对于空气的污染。因此理想的催化剂载体应具备如下特点:

(1)吸水率要合适

(2)耐热性要非常的强

(3)比表面积足够大

(4)具备低的热容量以及高的导热率

(5)载体材料不能与催化剂产生化学反应，影响催化剂化学性能

(6)孔隙结构或开孔率设计的要足够精确

2、汽车尾气净化催化剂载体的种类

汽车催化剂载体[2]由载体骨架和骨架表面的活性涂层两部分组成。在结构形式上又分为颗粒型载体、蜂窝状载体。

2.1 颗粒型载体

颗粒型载体[3]在汽车尾气催化净化器载体当中使用的最早。它[4]是由多个直径为3～4 mm的活性氧化铝(γ·Al2O3)小球组成。氧化铝可以很好稀释催化剂，同时也可以起到支撑和分散催化剂的作用。贵金属催化剂中的活性物质附着在氧化铝上，这些氧化铝的表面积为(70～350 cm2/g)。这种载体具有很多优点，它的机械强度比较高,制造工艺比较制造简便,而且它的比面积比较大，这种催化剂载体可以与活性组分很好的结合在一起，具有非常好的亲和力，装填催化剂也比较容易。但是颗粒型载体也有很多缺点。比如，载体结构设置的不是很合理导致气体在排除时存在阻力，随着阻力的变大，发动机在运行的时候存在很大的压力，使耗油量大大增加，而且颗粒型载体承受高温能力不是很强，容易被高温腐蚀影响正常的使用，还会对催化剂的使用造成影响，改变催化剂的性能，不能很好的吸收分解尾气中的有害气体。因此颗粒型载体在目前使用过程中逐渐被遗忘，有更新型的载体取代。

2.2 蜂窝状载体

蜂窝状载体[5]因为很好的使用性能逐渐取代了颗粒状载体,因为载体的形状有很大的差异，所以使蜂窝状载体的气体阻力比颗粒状载体要小很多，催化活性涂层薄且比表面积大，气氛流畅均匀, 机械强度高，热稳定性好。目前蜂窝状载体在汽车尾气净化器使用中越来越多。汽车尾气净化催化剂载体主要的组成部分是以堇青石为主[6]，但是它也存在一些缺点，为了得到改善又开发出了金属载体。

（1）陶瓷蜂窝状载体: 目前，蜂窝状陶瓷载体在汽车尾气净化器中越来越受到人们的欢迎，因为这种载体具有许多优点。蜂窝陶瓷载体[7]在高温下仍能保持很好的使用性能，虽然蜂窝状载体的壁相对比较薄，但是它特别耐冲击，能够抵抗很大的强度。蜂窝陶瓷的孔型结构有两种即三角孔型和正方孔型。上图即为蜂窝陶瓷的截面结构图。陶瓷的生产工艺流程如下合成荃青石粉料—配料(加人结合剂)—混料—练泥—挤出—干燥—烧成—切割—检选。堇青石不仅有良好的耐化学性能及良好的耐热行,而且膨胀系数低。但是堇青石蜂窝陶瓷比表面积较小，这也让它在使用过程中存在很大阻碍，因为比面积小就不能让催化剂和载体能够很好的结合在一起，催化剂松动，影响使用性能。但是我们可以使用活性氧化铝，因为它的比面积比较大，对于固定催化剂有很好的效果[8]。虽然陶瓷蜂窝载体拥有许多优点，但是它的缺点也不容忽视，在高温下，由于催化剂与载体的抗热性能不同，催化剂容易脱离，使净化器中的小孔被催化剂残渣堵住，净化器就达不到净化的效果，使用效率特别低，这样还是达不到汽车尾气排放需求，汽车在启动时候，陶瓷载体升温缓慢，尾气经过净化器时，由于温度达不到要求，催化剂不能正常工作，转化效果很差，这也是很大的缺点。需要在以后的研究中更加重视，解决这些难题。

（2）金属蜂窝状载体:针对陶瓷载体存在的缺点，我们又研发出金属蜂窝状载体，这种载体可以很好的克服陶瓷蜂窝状载体遗留下来的缺点。陶瓷蜂窝状载体最大缺点就是比面积比较小，不容易吸附固定在上面的催化剂，所以在设计金属蜂窝状载体时，比面积明显加大，这样就不需要依靠活性氧化铝来固定催化剂，能够使催化剂更好的依附在载体上，不容易因为高温而脱落，在汽车冷启动时，金属载体能够快速升温，温度能够达到催化剂正常工作的温度，效率明显增加。金属蜂窝状载体机械轻度比较大，催化剂不会因为外界冲击而破碎[9]。图3为金属蜂窝体载体的俯视图[5]。

3、载体材料

从汽车尾气净化器的研究开发过程看,载体材料主要分为[10]陶瓷颗粒型载体材料、蜂窝陶瓷载体材料和金属载体材料三大类。

3.1 陶瓷颗粒型载体材料

在所有汽车尾气净化装置的载体材料当中，人们最早研究的是陶瓷颗粒型载体材料，因为研究相对于其他载体材料

要早，所以使用也最早。它是活性氧化铝小球堆积而成。活性氧化铝具有一个非常大的优点，就是它能够吸附汽车尾气中的固体颗粒，随着温度的升高，附着在这些活性氧化铝上面的固体颗粒会与催化剂发生化学反应，经过氧化反应，这些固体颗粒会被充分燃烧，燃烧后这些固体颗粒物就会变成无害物质，然后再排放到大气中，大大减少了对空气的污染。这种载体还有其他优点，比如说，这种载体比表面积比较大,机械强度高，耐冲击，制造工艺非常简单，原材料也容易获取，更重要的是颗粒型载体材料比起其他的载体材料要便宜许多，与活性组分亲和力较好。但是它也有不少缺点，由于这种载体孔结构设计的不是很合理，导致气体流通时存在障碍，尤其在纵向上，由于流体流通存在障碍，所以发动机在工作时更加耗油，加大了发动机的工作压力，而且这种陶瓷颗粒型材料在高温下与废气容易发生化学反应，造成载体材料逐渐被腐蚀，不仅影响了载体的寿命也会对催化剂的使用性能造成很严重的影响，而且会对空气造成二次污染，在实际使用中也存在一定困难，正是由于这种载体的缺点没有得到改进，所以陶瓷颗粒型载体在汽车尾气净化中得到较少的关注，所以蜂窝状陶瓷载体材料出现。

3.2 蜂窝状陶瓷载体材料

目前在汽车尾气净化装置中广泛采用的的是陶瓷蜂窝载体。因为陶瓷蜂窝载体在很多方面具有很大的优势。首先，蜂窝陶瓷不容易因为高强度而变形或者高温下化学性质发生改变，它的物理化学性非常稳定,它的比面积也很大，同时，蜂窝陶瓷密度比较小，这可以减少载体的质量，一定程度上减少了汽车的载重，它的尺寸稳定性比较高，不会因为外界因素轻易发生改变。

汽车尾气净化催化剂较为理想的载体是由荃青石构成的支持体。堇青石的化学式为2MgO2Al2O35SiO2,理论化学组成为:MgO 13.7%,A12O334.9%,SiO251.4%;其熔点为1 460度。堇青石的合成方法有很多种，但是较为常见的有以下5种方法：（1）水解-沉淀法（2）玻璃反玻化法（3）溶胶-凝胶法（4）熔剂生成单晶法（5）固相合成法。因为堇青石在很多方面具有优势, 比如它的价格比较低廉，生产工艺简单可行，原材料获取比较容易并且它能够基本满足汽车尾气净化的需求，荃青石是通过吸收汽车尾气当中的碳黑从而达到净化的效果，一段时间之后，集中起来的碳黑可以一起处理掉，很方便。所以由荃青石构成的支持体在世界范围内能够得到广泛的使用。但是有优点的同时，荃青石构成的支持体存在的一个缺点就是脆性很大，这一个缺点需要在以后的研究当中更加重视，因为它在汽车尾气净化中起到不可取代的作用。

3.3 金属载体材料

到了80年代，随着研究的深入，科学技术的发展，金属载体出现。陶瓷载体材料的研究比金属载体的研究要早好长一段时间。金属载体具备好多陶瓷载体材料不能具备的特点，金属载体材料的优越性主要体现在[11]：1.材料的比表面积比陶瓷载体大，但是壁厚却比陶瓷材料减少三分之一； 2.金属载体的质量比陶瓷载体轻了许多，所以使得尾气的排气阻力比陶瓷载体要小许多；3.金属载体的抗震性比较好，因为金属强度比较高[9]。虽然金属载体具备以上陶瓷载体不能具备的优点，但是想要使金属载体在汽车尾气排放当中拥有更广泛的发展以及应用，还有很长的一段路要走，还有许多问题需要继续解决。例如，金属载体的抗高温性能不好，使得金属载体在高温下抗氧化性能非常差，而且它与载有催化剂的表面层不能很好的结合在一起，不牢固，还有非常重要的一点，金属载体材料比起其他载体材料要昂贵许多，它大概是陶瓷载体材料价格的两倍。所以金属载体材料的应用还需要进一步去研究，还需要投入大量的精力，难度也相当的大。

4、结语

随着经济的发展，世界范围内的汽车总量在一天一天增加，因为尾气污染严重，这对空气质量产生了严重的影响，使人们生活质量明显下降，也严重影响了人类的身体健康。所以这对汽车尾气净化催化剂和金属载体的研究提出了新的挑战。因此对汽车尾气净化催化剂和金属载体的研究成为当务之急。目前汽车尾气的发展方向就是想法设法的去改善催化剂的性能、尽量降低催化剂的成本、提高其使用寿命。为了我们的健康，还一个“干净”的地球，我们必须不断的去钻研，寻找更好的办法去解决汽车尾气污染问题。

[1] 赵秋伶, 徐小健, 蔡秀琴. 汽车尾气净化催化剂及载体的研究进展[J]. 广州化工, 2009, 37(8): 15-18.

[2] 赵秋伶, 徐小健, 蔡秀琴. 汽车尾气净化催化剂及载体的研究进展[J]. 广州化工, 2009, 37(8): 15-18.

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[7] 杨庆山, 兰石琨. 我国汽车尾气净化催化剂的研究现状[J]. 金属材料与冶金工程, 2013, 41(1): 53-59.

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Overview of Researching of the Carriers of autocatalysts

Tang Lei, Xiong Xin, Jiang Yi, Liao Xiaojun, Ren Zhiyuan
（School of Automotive Engineering Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051）

With the rapid development of automobile industry, the global car ownership has also increased year by year. Now, automobile exhaust pollutant emission control has become urgent social problems.The article describes the characteristics of the catalyst support, the type of catalyst support, analyze their strengths and weaknesses as well as features. And the future direction of research and development put forward their views.

Granular carrier；Honeycomb carrier；Carrier material

U473

B

1671-7988(2014)07-15-03

唐磊，就读于盐城工学院汽车工程学院。