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工业催化论文

工业催化期末论文

汽车尾气净化中贵金属催化原理及其发展

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院系：

化学化工学院

专业：

化学工程与工艺

提交日期：

2012年12月30日

中文摘要………………………………………………………………………………3

外文摘要………………………………………………………………………………4

引言……………………………………………………………………………………5

1．贵金属简介………………………………………………………………………5

1.1主要性能指标………………………………………………………………5

1.2分类与应用…………………………………………………5

1.2.1分类…………………………………………………………………5

1.2.2应用…………………………………………………………………6

2．贵金属三元催化…………………………………………………………………6

2.1贵金属三元催化催化原理…………………………………6

2.2汽车尾气净化用贵金属催化剂研究进展………………………………7

结束语…………………………………………………………………………8

参考文献……………………………………………………………………………9

致谢…………………………………………………………………………………10

汽车尾气净化中贵金属催化原理及发展

叶苗苗

指导老师：

***

（黄山学院化学化工学院，黄山，安徽245041）

摘要：

介绍贵金属的主要分类与应用，并叙述贵金属在汽车尾气净化三元催化原理与研究进展。

关键词：

贵金属；三元催化；汽车尾气；净化

Noblemetalcatalystforpurifyingautomobileexhaustprincipleanddevelopment

Yemiaomiao

Director：

wubing

（Collegeofchemistryandchemicalengineering,HuangshanUniversity,Huangshan,China,245041）

Abstract：

Themainclassificationandapplicationofpreciousmetals,anddescribesthepreciousmetalsinautomobileemissionpurificationthreeelementcatalyticprincipleandresearchprogressof.

KeyWords:

Noblemetalcatalyst;threeyuan;exhaustgas;purification

引言

汽车是现代社会最重要的交通工具之一，它在为人们的生活和工作带来方便的同时，它所排放的尾气也给大气环境造成了严重的污染。

最典型的是1943年和1954年美国洛杉矶发生的两次光化学烟雾中毒事件，其罪魁祸首就是汽车尾气[1]。

近几年来，我国许多大中城市如上海、广州、南宁等都出现过类似的“光化学烟雾”现象[2]，它便是汽车排出的碳氢化合物（HC）及氮氧化合物（NOx）在阳光中的紫外线的作用下形成的，可使人呼吸困难、眼红、喉痛等。

汽车尾气的污染物主要有氢化物、一氧化物、氮氧化合物，此外还有铅、二氧化硫等有害物质，它们对人体的健康以及动植物的生存构成了巨大危害.（如表1所示）

组分

危害

CO

吸入人体的CO与血红蛋白结合，导致人体内缺氧，甚至引起窒息；长期少量吸入会引起慢性中毒。

HC

其化合物有致癌作用，并强烈刺激眼睛和呼吸器官；与NOX一起在太阳光能的作用下产生光化学烟雾，严重时使人麻痹中毒。

NOX

高浓度的NO引起中枢神经瘫痪及痉挛，NO2引起人体中毒，与HC一起产生光化学烟雾。

SO2

它是形成酸雨的主要成分，严重污染河流、湖泊等水系，殃及野生动物的安全、破坏生态系统的自然酸碱平衡

P

血液铅含量过高，影响儿童的身体和智力发展，还可引发成血压高及心血管疾病。

因此，汽车尾气的污染控制和防护受到了世界各国的高度重视。

由于贵金属对上述气体分解有良好的催化作用，被广泛用于汽车尾气净化中。

贵金属催化剂（preciousmetalcatalyst）一种能改变化学反应速度而本身又不参与反应最终产物的贵金属材料[3]。

几乎所有的贵金属都可用作催化剂，但常用的是铂、钯、铑、银、钌等，其中尤以铂、铑应用最广。

它们的d电子轨道都未填满，表面易吸附反应物，且强度适中，利于形成中间“活性化合物”，具有较高的催化活性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，成为最重要的催化剂材料.汽车尾气排放控制是国际性的战略问题．美国和部分欧洲国家此项催化剂得到了很好地发展和应用，某些国家也在符合排放的指令性指标之上还要求在本世纪末尾气排放减至1／10E[4]。

此外，有机废物的生物降解，土壤、污水和地下水污染物处理，净化石油污染物等都与贵金属催化剂密不可分。

现代减少化学品对环境损害的三大策略是：

尽可能减少废弃物、废气排放减少和整治措施，贵金属催化剂在其中将发挥巨大作用。

[5]

1、贵金属简介

1.1主要性能指标[7]

（1）活性。

是衡量催化剂效能大小的标准。

工业上通常以单位体积（或重量）催化剂在一定条件下，单位时间内所得到的产品数量来表示。

（2）选择性。

是指催化剂作用的专一性，即在一定条件下，某一催化剂只对某一化学反应起加速作用。

选择性通常以反应后所得指望产物的克分子数与参加反应的原料克分子数之比的百分数表示。

　　（3）稳定性。

是指催化剂在使用过程中保持其活性及选择性不变的能力，通常以使用寿命来表示。

催化剂的良好性能不仅取决于活性金属的固有特性（原子的电子结构等），而且取决于其结晶构造、粒子大小、比表面积、孔结构及分散状态等因素。

此外，助催化剂及载体对催化剂的性能也有重要影响。

1.2分类与应用[8]

1.2.1分类

按催化反应类别，贵金属催化剂可分为均相催化用和多相催化用两大类。

均相催化用催化剂通常为可溶性化合物（盐或络合物），如氯化钯、氯化铑、醋酸钯、羰基铑、三苯膦羰基铑等。

多相催化用催化剂为不溶性固体物，其主要形态为金属丝网态和多孔无机载体负载金属态。

金属丝网催化剂（如铂网、银网）的应用范围及用量有限。

绝大多数多相催化剂为载体负载贵金属型，如Pt／A12O3、Pd／C、Ag／Al2O3、Rh／SiO2、Pt-Pd／Al2O3、Pt-Rh／Al2O3等.

1.2.2应用

贵金属包括Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Ru、Au和Ag共8个元素，。

贵金属催化剂以其优良的活性、选择性及稳定性而倍受重视，广泛用于加氢、脱氢、氧化、还原、异构化、芳构化、裂化、合成等反应，在化工、石油精制、石油化学、医药、环保及新能源等领域起着非常重要的作用。

其中Pt、Pd、Rh在控制汽车尾气排放中起着十分重要的作用，车用催化剂对这3种元素的用量逐年递增.

2.贵金属三元催化

2.1贵金属三元催化催化原理

汽车三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。

由于这种催化器可同时将废气中的工种主要有害物质转化为无害物质，故称三元.三元催化器的工作原理是：

当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H20）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。

三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

汽车尾气中既存在还原性的CO和HC气体，又存在氧化性的NO气体[9]。

Sadhankar等人对C0、HC和N0，的催化反应机理作了非常详细的描述并给出了反应的数学模型。

总体认为，三效催化剂主要发生如下反应：

（1）CO和HC的氧化反应：

C0+02一C02

（2）2）NOX的还原反应（以NO为例）：

No+HC—N2+H20+C02；NO+C0一N2+C02

贵金属对CO的氧化都具有很高的活性，但对HC的氧化反应只有Pt、Pd具有高活性，而Rh则是控制NO；的主要成分，贵金属Pt、Pd、Rh是目前汽车尾气净化三效催化剂的最常用活性组分[10]。

Pt是最早应用于汽车尾气净化的催化活性组分，在三效催化剂中主要贡献是转化一氧化碳和碳氢化合物。

Pt对一氧化氮有一定的还原能力，但当CO浓度较高或有S02存在时，它没有Rh有效，当在还原性气氛中，Pt对NOX的还原反应有良好的催化活性。

Rh是三效催化剂中控制氮氧化物的主要成分，这种高活性与其能有效地解离N0分子有关，此外，Im对一氧化碳以及碳氢化合物的氧化反应也有重要的作用[11]。

研究发现：

Rh对N晚的还原反应有很好的催化活性，当Rh含量为0．030％～0．043％时，起燃温度不超过250℃，对NOX的转化能力高。

Pd如同Pt一样用来转化一氧化碳和碳氢化合物，价格远低于I池和Pt，且资源丰富，耐热性好，使用Pd催化剂有利于降低成本，提高催化剂的使用寿命。

然而，由于Pd抗Pb和S中毒能力比Pt和Rh差得多，而且影响了三效催化剂的性能，所以在三效催化剂中含量特别低。

但近年来，随着无铅汽油的推广实施以及对冷起动问题的关注又推动了含钯催化剂的进一步开发。

在整个三效催化剂中，不同贵金属的作用绝不是完全孤立，而是相互关联的，要注意它们之间的协同作用[12]。

2.2汽车尾气净化用贵金属催化剂研究进展

当前，治理汽车尾气污染已成为国内外关注的话题，许多国家纷纷制定各种法规，对汽车尾气排放加以严格控制。

现阶段，中国执行的是比较宽松的欧II标准，而欧洲和美国执行的都是欧Ⅳ标准，尾气净化率必须达到90％以上。

根据中国政府对汽车尾气排放控制的总体规划，2007年达到欧IⅡ标准，2010年与国际接轨，达到欧Ⅳ标准[13]。

汽车尾气排放控制是一项综合性很强的技术，安装汽车尾气催化净化器是最为有效的措施之一。

国家是通过贵金属（Pt—Rh）三元催化剂解决汽车尾气对环境造成的污染[14]。

目前国内高档汽车，如一汽轿车配备的尾气净化贵金属催化剂均来自国外，国内关于汽车尾气净化技术的研究主要集中在含少量贵金属的体系。

对非铂族尾气净化催化剂或者低铂族含量催化剂的研究开发，可以为打破国外技术与产品垄断，提高我国尾气净化器的市场竞争力创造有利的条件。

可以有效地将我国的稀土资源优势转化为技术优势和经济优势[15]。

贵金属独特的催活性、选择性和稳定性，使之在催化剂行业备受关注，尤其是随着世界汽车工业的迅猛发展，车用催化剂耗用的贵金属量更是逐年上升。

在车用催化剂开发的初始阶段，曾对贵金属以外的5000种元素、化合物进行筛选，但是能够满足净化性能和耐久性的材料只有贵金属。

就催化剂的研究和发展过程来说大概经历了4个阶段：

第一阶段，PtPd氧化型催化剂，能净化C0和HC，在20世纪70年代首先得到应用，满足了当时的排放要求，缺点是不能净化NQ已淘汰；第二阶段，PtRh双金属三效催化剂。

能同时净化CO、HC和NO，其优点是活性高、净化效果好、寿命长，但造价高，目前在国外广泛应用；第三阶段，PtPdRh三金属三效催化剂。

其优点是同时净化CO、HC和N0。

，相对PtRh催化剂成本较低，价格便宜，Pd与Rh在高温时会生成合金，抑制了铑活性的发挥，目前未得到广泛应用；第四阶段，全钯三效催化剂。

其优点是同时净化C0、HC和NO，，成本低，具有高温热稳定性和快速起燃特性[16]。

结束语

从我国的国情看，普遍使用净化效果好的PtRh贵金属催化剂装备汽车，在经济上和资源供应上都不现实，面对我国铂族资源稀缺而稀土储量丰富的现状，研制开发不使用和少使用贵金属并含稀土的催化剂已成为我国汽车尾气净化催化剂发展方向。

将钙钛矿结构及纳米技术引入汽车尾气净化催化剂，很有可能成为贫燃条件下控制汽车尾气污染排放的关键技术之一。

参考文献：

[1]胡逸民，李飞鹏.内燃机废气净化.中国铁道出版社,1994.

[2]黄学辉等,汽车尾气催化处理的现状与发展趋势.新材料产业.2002（12）.

[3]黄仲涛，狄建铭.工业催化.化学工业出版社.

[4]黄开辉,万惠簌.催化原理.科学出版杜.

[5]朱保伟.环境科学.

[6~8]XX百科.贵金属催化剂.

[9、13~15]康新婷.汤慧萍.张健.吴贤.汽车尾气净化用贵金属催化剂研究进展.

[10]安德森（著）JR.席杜生等（译）.金属催化剂的结构.化学工业出版杜.

[11~12、16]吴越.杨向光.现代催化原理.科学出版社

致谢

首先，感谢我的老师吴彬老师！

正是在吴老师的合理安排和精心指导下，我才能顺利地完成本论文。

吴老师给我的还不仅仅是这些，吴老师为人谦逊、教学认真负责、乐于助人，对学生的指导耐心全面，在教学科研上勤勤恳恳。

他的这些优秀品德和高深的学识都值得我去学习，他是我一生的榜样！

在论文完成之际，谨向恩师表示我的敬意和诚挚的感谢！

其次，感谢10化学工程与工艺的老师和同学们！

感谢王澍老师和吴彬老师对我的指导。

感谢晏秀男、马玲、孙俊华等同学对我的帮助和包容。

我们之间的相互帮助与学习，让我少走了很多弯路也节省了很多时间。

再次，感谢黄山学院为我们提供的良好的学习条件。

同时，也祝愿母校和化学化工学院能够取得长足的发展和更大的成功！

最后，感谢所有给我帮助的同学和朋友们！