三元催化器，全稱三元催化凈化器，是安裝在汽油機(jī)排氣系統(tǒng)中的機(jī)外凈化裝置。該裝置可以通過氧化和還原作用將有害氣體如一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔镛D(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和氮?dú)猓瑥亩鴥?yōu)化廢氣排放并減少汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣的污染。

三元催化轉(zhuǎn)化器最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末的法國(guó)，由法國(guó)化學(xué)家米歇爾·弗倫克爾于1909年提出。法國(guó)人尤金·侯德利（Eugene Houdry）于1930年開始關(guān)注煙霧和汽車尾氣造成的污染，1952年，他開發(fā)了一種催化轉(zhuǎn)化器并注冊(cè)了專利。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)政府發(fā)起了“清潔空氣”運(yùn)動(dòng)，要求到1975年，機(jī)動(dòng)車的污染物排放量必須減少75%。同時(shí)，始于1973年的含鉛汽油淘汰計(jì)劃也促進(jìn)了催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)展。同年，世界上第一臺(tái)量產(chǎn)的催化轉(zhuǎn)化器誕生。1981年，三元催化轉(zhuǎn)化器被應(yīng)用于美國(guó)和加拿大的汽車上。催化轉(zhuǎn)化器可以處理的有害物質(zhì)從一氧化碳和碳?xì)浠衔镒兂闪说趸铩⒁谎趸己吞細(xì)浠衔?，因此得名三元催化轉(zhuǎn)化器。1981年后，各國(guó)逐漸在汽車排放法規(guī)中增加了對(duì)汽油車三元催化的規(guī)定，三元催化技術(shù)得到普及。

三元催化器根據(jù)材質(zhì)不同可分為氧化鋁三元催化器和陶瓷三元催化器。三元催化器一般由金屬外殼、陶瓷密封墊、催化劑涂層和陶瓷載體組成。其工作原理是當(dāng)高溫有害氣體通過凈化裝置時(shí)，三元催化器中的凈化劑會(huì)增強(qiáng)一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锏幕钚?，促使它們進(jìn)行一定的氧化還原反應(yīng)。三元催化器通過氧傳感器控制空燃比反饋，可以凈化廢氣，提高汽油機(jī)性能，保護(hù)環(huán)境。隨著汽車競(jìng)爭(zhēng)的加劇，催化劑的供應(yīng)將突飛猛進(jìn)。在技術(shù)方案方面，隨著貴金屬價(jià)格的上漲，低銠配方、薄壁涂層以及如何延長(zhǎng)三元催化器的使用壽命成為未來發(fā)展趨勢(shì)。

三元催化轉(zhuǎn)化器是最終決定汽油機(jī)機(jī)械廢氣污染程度的關(guān)鍵部件。它的材料是氧化鋁，外殼由不銹鋼制成，內(nèi)部是帶有凈化劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其工作原理是:當(dāng)400~800℃的高溫汽油機(jī)尾氣通過凈化裝置時(shí)，三元催化器中的凈化劑會(huì)增強(qiáng)一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锶N氣體的活性，促使它們進(jìn)行一定的氧化還原化學(xué)反應(yīng)，其中一氧化碳在高溫下被氧化成無色無毒的二氧化碳?xì)怏w；碳?xì)浠衔镌诟邷叵卤谎趸伤℉2O）和二氧化碳；氮氧化合物被還原成氮?dú)夂脱鯕狻ＨN有害氣體變成無害氣體，使汽油機(jī)尾氣得到凈化。

三元催化器主要由殼體、阻尼層、載體和催化劑涂層組成。一般來說，人們習(xí)慣稱催化劑涂層或載體和涂層為催化劑。其中，三元催化器的外殼用于防止催化劑因氧化皮剝落而堵塞；減振層主要起到減振、消除熱應(yīng)力、固定載體、保溫和密封的作用；至于載體和催化劑涂層，它們分別用于承載催化劑和催化氣體。

殼：三元催化器的殼體是整個(gè)三元催化器的外部支撐部分，其作用是防止催化劑因氧化皮剝落而堵塞。三元催化轉(zhuǎn)化器的外殼由不銹鋼板制成。一些三元催化器的外殼是雙層結(jié)構(gòu)，以減少外部熱輻射并保證三元催化器的反應(yīng)溫度。由于三元催化器對(duì)車身地板的高溫輻射，三元催化器在進(jìn)入加油站時(shí)可能會(huì)引起火災(zāi)，因此一些三元催化器外殼的表面裝有半周或全周隔熱罩。

阻尼層：阻尼層（也稱為緩沖層）是夾在載體和外殼之間的由柔軟和耐高溫材料制成的緩沖層。其作用是使載體牢固地處于殼體中，防止載體因振動(dòng)而位移和損壞，同時(shí)可以補(bǔ)償陶瓷載體與金屬殼體之間因熱脹冷縮而產(chǎn)生的間隙，保證載體周圍的氣密性，并使廢氣盡可能多地通過催化載體。同時(shí)，阻尼層還具有良好的隔熱能力，因此還可以降低載體內(nèi)部的溫度梯度，減少載體承受的熱應(yīng)力和殼體的熱變形。阻尼層的常見材料有兩種:金屬和陶瓷，形式為金屬網(wǎng)墊和陶瓷墊片。

載體：三元催化器的載體位于三元催化器的排氣管中，其作用是承載催化劑。早期使用氧化鋁球形載體作為催化劑，具有磨損快、阻力大的缺點(diǎn)，目前尚未使用。美國(guó)康寧公司在20世紀(jì)70年代發(fā)明了陶瓷蜂窩載體，并占據(jù)了主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年，全球90%的三元催化器為陶瓷載體，其余為金屬載體。美國(guó)康寧公司和日本NGK公司生產(chǎn)的陶瓷載體年產(chǎn)量超過95%。陶瓷載體由堇青石通過擠壓和燒結(jié)制成，金屬載體由不銹鋼波紋板卷制成。金屬載體具有幾何表面積大、流動(dòng)阻力小、加熱快和機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但成本較高，主要用于緊湊型偶聯(lián)催化劑和摩托車催化劑以控制冷啟動(dòng)排放。

催化劑涂層：三元催化器的催化涂層位于載體通道的壁上，載體通道的壁上涂有非常疏松的修補(bǔ)基面涂層，這就是催化劑涂層。催化劑涂層主要是γ-氧化鋁，粗糙和多孔的表面可以將壁的實(shí)際催化反應(yīng)表面積放大約7000倍。作為活性材料的貴金屬如鉑（Pt）和鈀（Pd）以及作為助催化劑組分的稀土材料如鋇（Ba）和鑭（La）也散布在涂層表面上。其中，鉑和鈀是氧化催化劑，催化CO和HC的氧化，銠是還原催化劑，催化NOX的還原。鈀的價(jià)格低于鉑，性能接近鉑。根據(jù)催化劑工作原理的不同，可分為氧化催化劑、還原催化劑、三元催化劑和稀燃催化劑。

根據(jù)材料的不同，三效催化劑可分為氧化鋁載體三效催化劑、蜂窩陶瓷載體三效催化劑和蜂窩金屬載體三效催化劑。

氧化鋁三效催化劑：氧化鋁是應(yīng)用最廣泛的催化劑載體，是早期的催化劑載體。它具有磨損快、阻力大的特點(diǎn)，已不再用于汽車催化劑。載體主要包括γ-al2o 3和α-al2o 3兩種相，通常由各種鋁鹽或鋁酸鹽通過水解和焙燒制成，根據(jù)不同的焙燒溫度可以獲得幾種晶相。

1.加熱至450℃~500℃生成相；

2.當(dāng)加熱到300℃~1000℃時(shí)，出現(xiàn)幾個(gè)過渡相，η、κ、δ；可以根據(jù)不同的反應(yīng)路線得到；

3.當(dāng)加熱到900℃~1000℃時(shí)，可以得到幾乎無水的氧化鋁，-al2o 3開始轉(zhuǎn)變；

4.當(dāng)加熱到1200℃時(shí)，它完全轉(zhuǎn)化為α-al2o 3。

從晶體學(xué)的角度來看，這些相可以概括為兩類:、γ和相屬于尖晶石結(jié)構(gòu)；，屬于六方晶系。氧化鋁分解的復(fù)雜性主要取決于顆粒的種類和孔的結(jié)構(gòu)，而不是晶體結(jié)構(gòu)。在氧化鋁的焙燒過程中加入二氧化硅、稀土元素鑭和二價(jià)過渡金屬如鈣、鎂或鋇可以提高氧化鋁的熱穩(wěn)定性。

蜂窩陶瓷三效催化劑：蜂窩陶瓷三元催化器的催化劑載體材料一般為堇青石，它是一種鋁鎂硅酸鹽，化學(xué)組成為2 al2o 3·2 MgO·5 SiO 2，具有比表面積低、傳熱系數(shù)低的特點(diǎn)，一般用于汽車尾氣處理的三元催化器。根據(jù)圖中堇青石的理化性能可知，堇青石具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適用于汽車尾氣突變的環(huán)境。堇青石的熱導(dǎo)率與其化學(xué)成分和孔隙率有關(guān)。此外，堇青石還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性，這取決于材料的性質(zhì)和載體的幾何形狀，如孔隙率、壁厚和總密度。

蜂窩陶瓷三元催化器的催化劑載體的比表面積相對(duì)較低，因此通常在其壁上涂覆多孔材料以負(fù)載活性組分，通常選擇氧化鋁及其與其他氧化物的混合物。蜂窩陶瓷有兩種制備方法。一種是波紋板壓制法，其中載體用無機(jī)氧化物或鹽浸漬，然后用合適的纖維增強(qiáng)，用波紋板軋制和堆疊，最后在高溫下烘烤。第二種是擠出成型，通過將非精細(xì)粉末材料與增塑劑和粘合劑捏合，然后擠出，干燥和烘烤制成。大多數(shù)陶瓷載體是通過擠壓制備的。陶瓷載體是應(yīng)用最廣泛的載體。

蜂窩狀金屬三元催化劑：蜂窩金屬三元催化器的催化劑載體具有耐沖擊、幾何面積大、流阻小、升溫快等特點(diǎn)，但其成本較高。它通常用于緊湊型耦合催化轉(zhuǎn)化器和摩托車催化轉(zhuǎn)化器，以控制冷啟動(dòng)排放。浸漬和活化的方法與蜂窩陶瓷三效催化劑的載體不同。對(duì)于金屬載體，涂覆底層的方法不適用。由于金屬和涂覆在其上的氧化物的熱膨脹系數(shù)不同，很容易導(dǎo)致涂層脫落，因此對(duì)于金屬載體，通常采用蝕刻和氧化的方法在金屬表面形成氧化層，因此氧化層來自金屬表面的一部分，因?yàn)樗蝗菀酌撀洹＿@種金屬氧化物的表面可以進(jìn)一步浸漬具有催化活性的物質(zhì)。

蜂窩金屬三元催化器的催化劑載體也可以加工成網(wǎng)狀，通過表面氧化處理和催化活性處理，獲得高催化活性表面，并進(jìn)一步加工成各種尺寸的網(wǎng)狀篩網(wǎng)，裝入催化器中。金屬載體的特點(diǎn)是易于制成各種形狀，具有沖擊彈性大、幾何面積大、循環(huán)阻力小、加熱快等特點(diǎn)，但成本較高。

點(diǎn)火溫度特性：催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率與溫度密切相關(guān)，催化轉(zhuǎn)化器只有在達(dá)到一定溫度（即起燃穩(wěn)定溫度）時(shí)才能開始工作。轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化的曲線稱為起燃溫度特性，如圖所示，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%時(shí)的溫度稱為起燃溫度T50。

空燃比特性：催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率還與空燃比A/F（或過量空氣系數(shù)λ）有關(guān)。下圖為三元催化轉(zhuǎn)化器的空燃比特性曲線。從圖中可以看出，在理論空燃比（）附近，三元催化器對(duì)一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锏霓D(zhuǎn)化效率同時(shí)達(dá)到最高。為了在實(shí)際使用中滿足這一條件，有必要在閉環(huán)中控制燃料供應(yīng)系統(tǒng)和氧傳感器。

空速特性：空速（Space velocity）定義為每小時(shí)流經(jīng)催化劑的廢氣體積流量（換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）與催化劑體積的比值，表示反應(yīng)氣體在催化劑中的停留時(shí)間。如圖所示，雖然性能較差的催化轉(zhuǎn)化器在怠速時(shí)表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)化效率，但在汽車行駛時(shí)，轉(zhuǎn)化效率實(shí)際上很低。

優(yōu)勢(shì)

1.性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。三元催化轉(zhuǎn)化器使用高效催化劑，催化劑通常由貴金屬（如鉑、鈀、銠等）組成。).這些貴金屬具有良好的催化活性和穩(wěn)定性，能有效催化尾氣中的化學(xué)反應(yīng)并長(zhǎng)時(shí)間保持催化效果。

3.使用壽命長(zhǎng)。三元催化器使用壽命長(zhǎng)，易于維護(hù)，因此在使用過程中無需擔(dān)心頻繁更換。

劣勢(shì)

1.降低車輛性能。三元催化轉(zhuǎn)換器在工作過程中會(huì)限制有害氣體的流動(dòng)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

2.它是昂貴的。由于三元催化劑中含有的鉑、鈀和銠等貴金屬的開采和提煉成本較高，因此三元催化劑的價(jià)格也較高。如果三元催化器損壞需要更換，價(jià)格會(huì)更貴。

3.會(huì)有堵塞。三元催化器使用不當(dāng)會(huì)造成堵塞，降低三元催化器的效率。

4.溫度敏感性高。三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì)溫度變化很敏感。如果發(fā)動(dòng)機(jī)過熱或過冷，它可能無法正常工作，從而導(dǎo)致廢氣排放增加和燃油效率下降。

三元催化轉(zhuǎn)化器是降低汽油機(jī)排放的重要裝置。它可以通過化學(xué)反應(yīng)將有害氣體轉(zhuǎn)化為無害氣體，同時(shí)，它還可以降低汽車的噪音和振動(dòng)。其主要職能是:

三元催化器

1.三元催化器可以通過氧傳感器控制空燃比反饋，將空燃比控制在理論空燃比附近。當(dāng)可燃混合物的濃度很高而氧氣太少時(shí)，催化劑本身會(huì)釋放氧氣以促進(jìn)碳?xì)浠衔锘蛞谎趸嫉难趸划?dāng)可燃混合物的濃度較低且氧氣過多時(shí)，氧氣將被儲(chǔ)存，碳?xì)浠衔飳⑴c一氧化碳反應(yīng)變成水和二氧化碳；當(dāng)未燃燒氣體因熄火而產(chǎn)生異常熱量時(shí)，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的能力如表面積減小、成分變化和重金屬濃度降低。

2.提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，延長(zhǎng)其使用壽命。三元催化轉(zhuǎn)化器可以改善汽油機(jī)的性能，減少?gòu)U氣排放，并將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而減少排氣管中的積碳和污垢，減少汽油機(jī)和排氣系統(tǒng)的腐蝕和損失，提高汽油機(jī)的燃燒效率和動(dòng)力性能。此外，三元催化器還可以降低汽車的噪音和振動(dòng)，提高駕駛的舒適性和安全性。

3.凈化尾氣保護(hù)環(huán)境。三元催化器可以過濾汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有害氣體，并將其轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和氮?dú)?。這樣，尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锉谎趸蔁o毒、無色的二氧化碳?xì)怏w，而氮氧化合物被還原成氮?dú)?，減少了尾氣對(duì)環(huán)境的污染，使尾氣排放更清潔，降低了尾氣中污染物的濃度，減少了空氣污染，從而保護(hù)了環(huán)境。這對(duì)于保護(hù)人類健康和生態(tài)平衡具有重要意義。