车用催化涂层技术综述

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1、车用催化涂层技术综述MonolithicCatalystsTechnologiesforTWC[来源]2000年第8期《世界汽车》[作者]李军催化涂层（MonolithicCatalysts）是附着于催化器载体（MonolithicSubstrate）表面，肉眼无法分辨的一层很薄的物质，在尾气固—气体系多相催化反应中起着关键作用。本文在大量收集相关文献的基础上，对这一领域的技术进行了粗浅的综述。希望能够对大家跨专业地理解汽油车用排气后处理技术的基本原理有所帮助。限于作者理解水平，文中可能会出现一些过时甚至错误的信息，敬请指正。1催化涂层的

2、组成和定义图1为目前应用最广的堇青石蜂窝载体催化器的局部载面。最下部为载体，起整体骨架作用。相容性要求把载体和催化涂层技术联系起来。如Al2O3涂层膨胀系数与堇青石2MgO·2Al2O3·5SiO2载体接近，温度骤变也能牢固结合。①⑦⑥②③④⑤涂层催化剂载体图1载体与催化涂层示意催化涂层由水涂层（Washcoat）和催化剂（Catalyst）组成。水涂层也称水性涂层，即Washcoat，称谓和工艺方法有关。Washcoat的解释仅见于化工等专业词典，意为“致密漆膜”。早年习惯把粘稠液态涂料称为“漆”，目前对一些水性涂料已不这样称呼，目前倾

3、向称为“水涂层”。水涂层是理化附着于载体表面，厚约20微米的物质，多由氧化物如γ-Al2O3、沸石等晶体材料的微粒煅烧而成，表面分布着大量直径10-100埃的微孔，单位重量的表面积（称表面积率）高2-达150-175m/g，富含羟基OH（图中未示出），为催化剂提供了理想的表面附着条件。催化剂分散固化在水涂层表面，常用贵金属Pt、Pd和Rh等。催化剂能改变化学反应路径，降低反应活化能。活化能越低，催化剂活性越高，工程价值是使反应总6页第1页在更低温度和更小空间中充分发生。不同催化剂能降低反应特定阶段活化能，提高特定生成物产量，称选择性。如用

4、Pt催化尾气成分烯烃（C2H4），生成物为CO2和水，改用V2O5作催化剂，生成物多为不完全氧化物如乙醛。基体（Carrier）的意思更灵活，对水涂层来说，载体是基体，对催化剂而言，水涂层是基体。由于水涂层和载体在催化器成品上是一个整体，且都有表面积率等2要求（事实上堇青石载体的表面积率约0.3m/g，主要着眼载体微孔有助于涂层材料填充附着，比水涂层小得多），容易混淆。特别应注意在同一文献（著作）中区分上述概念。在催化涂层中添加稀土氧化物等，能增进催化效果和稳定催化剂晶体结构，称催化助剂。活性中心（Activesites）是催化剂表面的一

5、部分。现代表面技术指出，催化剂表面不同位置有不同激活能，只在台阶、扭折或杂质、缺陷处构成活性中心。催化剂表面积，指活性中心表面积的总和。催化涂层表达方法是：在催化剂含量和成分后加上涂层材料名称，并用斜杠分隔。如占催化涂层总质量1%的Pd固化在γ-Al2O3水涂层上，表达为1%Pd/Al2O3。2对催化涂层的要求催化涂层应具有较高催化效率和抗老化能力。a)催化效率要求结合固-气体系多相催化反应过程说明。汽车尾气A流过催化器生成B，多相催化过程（图1）为：①A气体流入催化器滞止为层流；②大部分A分子须经微孔扩散到达活性中心；③A分子化学吸附在

6、活性中心上；④被吸附的A分子发生催化反应生成B；⑤生成物B从活性中心表面脱附；⑥生成物B从涂层微孔中扩散出来；⑦生成物B重新聚集流出。其中，第①⑦步是气流流动过程，取决于催化器流体力学设计，不属本文介绍范围。第②⑥步为尾气微孔扩散过程，效率取决于涂层厚度、微孔尺寸形状是否适于反应物和生成物通过。第③④⑤步是化学催化过程，效率取决于化学吸、脱附能量及吸附分子与活性中心共同形成的络合物数量和性质。上述各步与排气温度、流量、载体结构有关，特定条件下，提高催化效率主要着眼于：①优化涂层表面结构，包括涂层厚度、表面积、微孔尺寸、分布、结构；②提高催

7、化剂分散率、激活态，改善催化剂化学性质。b)抗老化要求在严酷汽车排气条件下工作，催化涂层老化（失效）有三种形式：①最常见为高温老化，车用催化器入口温度高达650-850℃，在供给浓混合气和补气条件下，相应于575℃入口温度，因催化反应放热催化床温度可达1050℃。高温导致涂层微孔烧结，加剧催化涂层晶体成长及催化剂与涂层物质反应。②因油品（燃油和发动机润滑油）中铅、硫、磷等毒害老化，我国无铅汽油含铅量限值为5mg/升。排气中的碳粒、催化器外壳腐蚀产生的锈皮（Fe、Ni、Cr氧化物）等，也会与催化涂层发生选择反应或物理沉积其上造成中毒。③高温

8、高速排气冲刷和温度剧变，导致催化涂层磨损、剥落。上述除物理沉积外，多为不可逆老化失效。提高催化涂层抗老化能力的途径是：提高涂层和催化物质高温晶体结构和化学成分稳定性；提高耐毒害能力；增进催化涂