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催化剂的基础知识(2)

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昨天我们介绍了决定催化剂作用及其性能的3个要素。今天我们将重点介绍存在于人们身边、支持人们日常生活的催化剂。

目录

1.汽车催化剂 2.塑料合成催化剂 3.微小而强大的质子酸催化剂 4.酶

1.汽车催化剂

昨天我们介绍了具有减少光化学烟雾作用的汽车催化剂,除此之外,与汽车相关的催化剂还有很多种。

在作为汽车燃料的汽油和轻油的生产过程中同样使用催化剂。对从地下取出的原油进行蒸馏时,含有烃的碳链较长的重油在裂化催化剂的作用下被分解成碳链较短的汽油和轻油。在此过程中,同时使用酸催化剂和含有贵金属的加氢裂化催化剂。

另外,通过MoCoS和MoNiS等加氢脱硫催化剂可以除去化石燃料石油中含有的硫磺成分。制造高辛烷值汽油时必须将烃类转换成含有较多支链的烃,此时可以使用重整催化剂,同时也可使用酸催化剂。

现今,为了防止石油资源枯竭和地球环境破坏,正在进行从石油到氢燃料的能源转换。使用氢燃料直接发电提供动力的燃料电池汽车中也使用了铂Pt等燃料电池催化剂。

汽车上搭载的催化剂是分解NOx的贵金属。贵金属因价格昂贵,减少其使用量和延长其使用寿命成为重要课题。前者可通过提高每克贵金属的催化活性来实现。使用贵金属的纳米颗粒能够增大表面积从而提高单位活性。寿命与如何维持贵金属的纳米颗粒状态密切相关。汽车中使用的催化剂被称为三元催化剂。三元催化剂利用燃料和氧气,将尾气中含有的有害物质NOx和一氧化碳CO分解成二氧化碳CO2、水H2O和N2

燃料和空气的比率(空燃比)为1:14.6时,以上3种污染物的去除效率最高。为了形成这样的条件,可使用计算机控制供给。另外,正在研发一种可在空燃比更小,油耗更低的稀薄燃烧条件下发挥催化作用的催化剂。仅靠贵金属已不足以实现这一目标,必须积极利用能够使贵金属高度分散的载体。

大部分的载体是氧化物,其耐热性强,价格相对低廉。由于粉末具有较大的表面积,因此贵金属纳米颗粒可以彼此分离,并稳定地存在,Al2O3等已被用作汽车用载体。

从1990年左右开始,具有更强功能的催化剂载体陆续诞生。在氧气和燃料含量高的条件下,根据运行模式的不同,尾气的组成会相应变化。催化载体通过贮存或释放氧气,使贵金属纳米颗粒发挥最大作用。其中,可以在载体Al2O3中混入CeO2-ZrO2。CeO2-ZrO2具有根据气相中的氧浓度吸收或释放氧气的性质,利用此性质,可在最适氧气浓度下运行。

另外,还开发出一种钙钛矿型复合氧化物催化剂LaC7Fe0.38Pd0.05O3,其利用氧化物催化剂和贵金属的反应,通过再生金属微粒子,延长使用寿命。在还原条件下,钯Pd被还原,从晶格中释放出来,形成Pd纳米颗粒,如不加干预,Pd纳米颗粒则会变大;然而,当运行环境变为氧化气氛时,变大的Pd颗粒进入钙钛矿

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