3.2.1 汽車尾氣凈化的原理和傳統(tǒng)催化方法　
 
 
　　科學家們認真的分析了汽車尾氣的消除原理和方法，同時也對以前常用的傳統(tǒng)的催化劑作了分析。他們發(fā)現(xiàn)：機內(nèi)凈化器的主要優(yōu)點是對尾氣有害氣體的排放有一定的凈化作用, 成本低; 缺點是對尾氣排放凈化率不高。機外凈化器的主要優(yōu)點是對尾氣排放凈化率高, 如能正確使用, 壽命長; 缺點是成本高、排氣阻力有所增大[27]。一般都在汽車上安裝尾氣凈化器，并采用機外凈化的方法，而且催化劑是凈化器的核心部分，因而根據(jù)凈化器的工作特點，凈化器中的催化劑必須具備如下要
 
 
　　（1） 效率高；（2）耐熱性好；（3）機械強度高；（4）使用壽命長；（5）抗毒性好。
 
 
　　尾氣中的主要催化反應[27]為：           
 
 
　　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，在催化劑作用下，反應體系中不僅有NOx的還原反應，又有CO和CHx的氧化反應。如果要使用權(quán)這幾種污染物達到最佳的轉(zhuǎn)化，就要求反應體系中氧的含量處于總反應化學計量數(shù)，且催化劑要求能夠高效且催化的范圍廣。傳統(tǒng)的催化劑的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段[15]：（1）氧化型催化劑；（2）鉑、銠雙金屬催化劑；（3）鉑銠鈀三元催化劑；（4）單鈀催化劑；（5）新型鉑銠或鈀銠催化劑。           
 
 
　　由于排放標準的日益嚴格，對催化劑各種性能的要求也越來越高，特別是耐熱和高效性。凈化器中催化劑的床層溫度可達1000℃以上，這進一步要求催化劑的耐高溫性能。而傳統(tǒng)催化劑則漸漸不能滿足要求。  
 
 
　　3.2.2 負載型金催化劑在汽車尾氣消除中的應用　在傳統(tǒng)方法的催化方法上發(fā)展起來的負載型金催化劑在汽車尾氣凈化中也得到了相當?shù)膽茫鹉軌蛟跍囟鹊蜐穸雀遊21]的條件下對尾氣進行催化，而且效果很好，世界許多科學家正設法用金來催化汽車尾氣的反應。研究人員根據(jù)載金催化劑可以迅速地把CO氧化成CO2[29]，將NO還原為N2的多重特性[20]，使之加入汽車尾氣排放處理系統(tǒng)中加以應用。而且此種催化劑比其他任何催化劑催化上述反應的工作溫度都低，最低可達90K（-183℃），裝入載金催化劑的催化轉(zhuǎn)化器可在潮濕的室溫下將汽車尾氣轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)[17]。          
 
 
　　但負載型金催化劑暫時卻不能取代其他鉑族金屬，原因是金的熔點只有1063℃ ，鉑的熔點是1769℃[25]，且大多的催化凈化器中的工作溫度都在1000℃以上，負載型金催化劑的工作適中溫度為600℃左右，應有低于600℃的凈化器中應用。于是研究開發(fā)低溫汽車尾氣凈化器，且利用金催化劑來消除尾氣將成為很有前景的課題。             
 
 
　　3.2.3 負載型金催化劑在汽車尾氣消除反應中的反應機理及其活性成分和活性中心　汽車尾氣排放出的主要污染物為CO、NOx 、HCx 而且消除它們的反應也主要是通過化學反應來進行的，主要過程的方程式[8]：                
 
 
　　2CO+O2—→2CO2 ；               
 
 
　　CmHn+(m+n/4)O2—→mCO2+n/2H2O；           
 
 
　　2NO+2CO—→N2+2CO2；            
 
 
　　2NO2+4CO—→N2+4CO2 ；        
 
 
　　另外有文獻表明：有O2氣氛中，NO與低碳烴之間的氧化還原反應[24]分兩步進行：                    
 
 
　　NO+O2—→NO2；                     
 
 
　　NO2+HC—→N2+CO2+H2O       
 
 
　　從熱力學數(shù)據(jù)和化學平衡分析，只有良好的催化劑來催化，上述的化學反應才能完全完成。            
 
 
　　Goodman等通過STM和光譜研究得出金催化劑驚人的催化作用的機理歸功于小的金粒子的量子尺寸效應。
Boyen等研究指出含有55個原子、直徑為1.4nm的金粒子具有非常好的穩(wěn)定性，并且Au55成為CO的活性位點。然而Narskov等使用密度泛函計算指出CO在含有10個原子的金粒子上的活化是能量上最有利的反應途徑。此外Au3+催化劑中的作用也引起廣泛的關(guān)注。Baker等指出公通過尺寸效應解釋小尺寸金納米晶體催化劑高的催化活性是不全面的，忽視了載體的重要性。后來國內(nèi)外許多研究表明：小的金粒子和載體之間的交界面對于催化劑活性起著重要的作用，從而可知Bond-Thompson模型的重要性，從而CO、NOx的活性中心的研究引起人們的好奇和關(guān)注，至于催化的活性中心到底是什么，仍沒有文獻中表示出。            
 
 
　　因此可以斷言汽車尾氣成分（CO、NOx、CHx）和富氧的條件下[31]，吸附在活性級分的表面，O2則附在載體上，兩者在金粒子和載體的交界面外反應生成CO2、N2、H2O等產(chǎn)物。而反應的原理如上面提到的幾個方程式。負載型金催化劑為反應物提供一個優(yōu)越的反應空間，從而起到了如此高效的催化活性。           
 
 
　　4 負載型金催化劑的前景展望                  
 
 
　　由于金催化劑的優(yōu)良的催化特性，人們開始對其進行工業(yè)上的應用。其主要應用在兩個方面[35]：      
 
 
　　（1）環(huán)境保護方面的潛在應用[34]：CO檢測；安全的CO防護面具；清除空氣中CO和臭氣[34]；在封閉的不加熱的CO2激光器中作CO2再生催化劑；用于燃料電池反應的催化反應[34]；用于以CO或丙烯清除NO的反應；用于清除鹵化物的反應；低溫自動催化等。
 
 
　?。?）化學反應與制造過程中的應用：乙炔的氯氫化反應；氧化反應，如CO氧化和從丙烯到丙烯氧化物的選擇性氧化；催化燃燒，如飽和烴和三甲胺燃燒；氫化反應；水煤氣反應等。                
 
 
　　但是實際在汽車尾氣中大規(guī)模的應用并沒有展開，這主要是由于現(xiàn)用的尾氣凈化器的凈化原理中不適合負載型金催化劑的使用，目前在尾氣處理中的催化劑主要為新的三元催化劑[38]。但是由于負載金催化劑的高效、穩(wěn)定、低溫抗水性等，只要改進凈化器的原理就能使用高效的新型負載型金催化劑來催化汽車尾氣，不但環(huán)保而且具有適應廣泛的好處[39]。目前負載金催化劑也可以作為尾氣凈化氣的催化成分之一，不過使用時要附加于其他催化劑中混合使用。            
 
 
　　在汽車尾氣大量排放的今天，負載型金催化劑以其優(yōu)越的特性受到越來越多的重視，同時國內(nèi)外人士很多都在智力于金催化劑在汽車尾氣消除中的應用[37]，并取得了相當?shù)男Ч撦d金催化劑研究領(lǐng)域剛剛開始，卻已經(jīng)顯示出巨大的潛力。另外負載型金催化劑有望能減輕裝置的重量、縮小裝置的體積并降低制造的成本。總之金催化劑將成為未來催化界上一道璀璨的光芒。          
 
 
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　　作者簡介：李敏杰（1984-），助理工程師，從事環(huán)境監(jiān)測工作。