자동차 배기가스 정화 촉매
1. 촉매작용의 메커니즘
자동차 배기가스에 포함된 오염물질은 주로 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO), 이산화황(SO2), 입자상물질(납화합물, 탄소 그을음 등) 등이 있습니다. 현재 자동차 배기가스를 정화하는 방법은 크게 내부 정화와 외부 정화 두 가지로 나뉜다. 내부 정화에는 엔진의 구조를 변경하여 연료의 완전 연소를 촉진하거나 일부 배기 가스를 재연소할 수 있도록{4}}하여 유해 물질을 줄이는 작업이 포함됩니다. 외부정화는 촉매작용을 이용하여 CO, HC의 산화반응과 NO의 환원반응을 모두 포함하는 촉매정화 방식을 주로 사용하여 배기가스 중의 유해물질을 무해한 CO, H2O, N2로 전환시킵니다. 현재 사용되는 촉매정제 방법에는 촉매산화, 촉매환원-산화, 삼원-촉매정제가 있다. 삼{11}}원 촉매는 다양한 국가에서 널리 사용됩니다. 삼원{13}}원 촉매는 주로 촉매 기재, 활성 코팅, 촉매 활성 성분의 세 부분으로 구성됩니다. 또한, 촉매의 성능을 향상시키기 위해 활성 코팅 및 촉매 활성 성분, 주로 희토류 산화물 및 알칼리 토금속 산화물 등 소량의 첨가제가 종종 첨가됩니다.
2. 캐리어 기능 및 요구 사항
자동차 배기가스 정화용 삼원촉매의 사용 조건은 -50도에서 950도까지의 온도 변화, 고속 기류에 따른 심한 충격과 진동, 최대 2년 또는 160,000km의 사용 수명 등 매우 가혹합니다. 또한, CO 및 HC 산화 및 NOx 환원에 필요한 높은 활성 및 온도 저항성뿐만 아니라 S 및 P 중독에 대한 저항성으로 인해 촉매에 대한 요구 사항이 더 높아집니다. 촉매의 조성, 다양한 성분 간의 상용성, 사용된 활성 알루미나의 특성은 촉매의 성능에 중요한 영향을 미치며, 특히 촉매의 활성과 사용 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
(1) 촉매 조성
삼원{0}}촉매는 주로 촉매 기재, 활성 코팅, 활성 성분으로 구성됩니다. 특별한 준비 공정과 코팅 내 다양한 비율의 활성 성분 분포를 통해 냉간 시동부터 고온까지 자동차 배기 시스템의 다양한 위치에서 우수한 촉매 성능에 대한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
촉매 기재: 지지체라고도 알려진 기재는 주로 코디어라이트 벌집형 세라믹, 탄화규소, 금속 벌집, 골판지 등을 포함합니다. 기재는 다음 요구 사항을 충족해야 합니다. 열 충격과 고속-공기 흐름의 심한 진동을 견딜 수 있는 높은 기계적 강도; 활성 코팅의 접착 및 분산을 촉진하는 큰 외부 표면적 및 다공성; 작동 온도의 급격한 변화로 인한 코팅 분리로 이어지는 균열 및 변형을 방지하기 위한 낮은 열팽창 계수 및 높은 내열성; 높은 배기 저항으로 인한 과도한 엔진 출력 손실을 방지하기 위한 높은 공기 흐름 투과성과 높은 압력 강하 저항; 촉매 작용을 위해 냉간 시동 중 온도를 빠르게 증가시키는 낮은 열용량 및 높은 열 전도성; 촉매와 상호작용하지 않고 촉매를 독살할 수 있는 물질에 대한 내성이 있습니다.
활성 코팅: 코팅은 기판에 강한 접착력을 갖고 기판과 유사한 열팽창 계수를 가져야 온도 변화와 기판의 열팽창 및 수축으로 인한 코팅 분리를 방지할 수 있습니다. 고온에서 상 변형이나 소결을 억제하는 우수한 고온 안정성; 활성 성분의 중독을 피하기 위해 Pb, S 및 P와 같은 독성 물질을 추적하는 특정 내성. 코팅재에는 활성알루미나 외에 Ce, Zr 등의 희토류 복합산화물, 알칼리토금속 또는 알칼리금속, Ba, Sr, TiO2 등의 금속산화물이 주로 포함되어 코팅재의 열적 안정성을 향상시키고 촉매의 고온저항성, 산소흡수능력, 내피독성, 활성성분의 분산성, 열안정성을 향상시키기 위해 첨가된다.
촉매의 활성 성분: 활성 성분은 우수한-온도 저항성, S, P 중독에 대한 저항성, 낮은 발화 온도, CO 및 HC의 높은 산화 성능과 NOx의 높은 환원 성능을 포함한 높은 촉매 활성 및 우수한 분산성을 가져야 합니다. 귀금속 활성 성분에는 주로 백금, 팔라듐, 로듐 및 이들의 조합이 포함됩니다. 팔라듐과 백금은 HC와 CO의 산화에 대한 촉매 활성이 우수하고, 로듐은 NOx 환원에 대한 촉매 활성이 뛰어나며 저온-활성이 팔라듐 및 백금보다 우수합니다. 자동차 배기가스 배출 표준이 강화되고 Euro V 표준이 널리 시행됨에 따라 NOx 배출 요구 사항이 더욱 엄격해지고 있으며 3{5}}원 촉매 변환기에는 일반적으로 다양한 양의 로듐이 포함되어 있습니다.
자동차 배기가스 정화용 삼원{0}}촉매 변환기는 열악한 작동 조건에서도 우수한 성능을 유지할 수 있으며, 좋은 준비 방법 외에도 촉매 기재, 활성 코팅 및 활성 구성 요소의 최적화 조합이 중요합니다. 삼{2}}원 촉매는 일반적으로 근청석 벌집형 세라믹 또는 금속 벌집형을 기반으로 하며, 활성 알루미나 담체에 귀금속 활성 성분과 희토류 복합 산화물 또는 알칼리 또는 알칼리 토금속 산화물을 첨가제로 첨가하고 코팅 재료로 슬러리로 분쇄한 후 특수 공정을 통해 기판에 코팅하고 건조, 소성 및 활성화를 통해 제조됩니다.
(2) 알루미나의 역할과 영향
3{0}}원 촉매 변환기에서 활성 알루미나의 역할은 귀금속 활성 성분의 담체 역할을 하여 높은 분산을 보장하고 코팅 재료의 구성 요소로서 높은 비표면적을 제공하고 우수한 접착력과 세라믹 기판과의 일치를 유지하며 코팅 분리 및 상 변형을 방지하는 데 있습니다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 활성 알루미나는 AOS로 비표면적이 크고 기공 분포가 적당하며 소결 저항성이 우수합니다. 그러나 -Al2O3는 준안정상이며 고온에서 상변태 및 소결되기 쉬우므로 안정적인 -상 및 입자 조대화를 초래하여 비표면적이 크게 감소하여 표면의 활성 금속 분산에 영향을 미치고 촉매 성능을 저하시키거나 심지어 비활성화시킵니다. 더욱이, 800~900도의 고온 산화 대기에서 -Al2O3 코팅은 활성 성분 Rh와 반응하여 비활성 알루미늄 염을 형성하고 -촉매의 활성도 감소시킵니다.
코팅 활성 알루미나의 고온 안정성을 향상시키고 응집 및 상 변형을 방지하기 위해 현재 업계에서 널리 사용되는 방법은 -희토류 또는 전이 금속과 같은 비귀금속 원소를 -Al2O3에 첨가하는 것입니다. 희토류 원소는 채워지지 않은 4f 전자 껍질, 풍부하고 특이한 전자 에너지 준위, 많은 우수한 광학적, 전기적, 자기적, 핵적 특성을 가지고 있으며 매우 활동적인 화학적 특성과 결합되어 다른 범주, 기능 및 용도가 다른 다양한 새로운 재료를 형성할 수 있습니다. 희토류 원소의 양이온은 Al3+보다 훨씬 큰 이온 반경을 가지므로 -Al2O3의 상변태 온도를 높이고 O2- 또는 Al3+의 확산을 억제하여 코팅 활성 알루미나의 고온 소결 저항을 -향상시키고 높은 비표면적을 유지할 수 있습니다. 활성 알루미나의 구조를 안정화할 때 La, Pr, Nd, Ce 등의 희토류 원소와 알칼리 토금속인 Ba, Sr, Ca 등을 첨가할 수 있다는 연구 결과가 있습니다. 활성 알루미나의 고온-소결 저항성은 희토류 원소 이온 반경의 크기와 어느 정도 관련이 있으며, 이온 반경이 클수록 더 나은 안정화 효과를 얻을 수 있습니다. 따라서 La가 더 나은 수정자입니다. La-개질된 활성 알루미나는 표면에 페로브스카이트형 LaAlO3를 형성하고, 핵화된 LaAlO3는 Al2O3 격자 모서리에 고정되어 알루미나의 열 안정성과 비표면적을 향상시키고 상으로의 변태를 억제합니다.
자동차 배기가스 정화용 삼원 촉매 변환기에서 희토류 촉매 물질의 역할, 특히 촉매 내 산화세륨의 산소 저장 및 방출 기능. 세륨에는 이온 반경이 0.97 Å인 Ce4+와 1.03 Å인 Ce{4}}의 두 가지 산화 상태가 있습니다. 반응계 내 산소 함량이 교대로 바뀌면서 촉매 내 Ce4+와 Ce3+도 번갈아 가며, 즉 산소 함량이 높으면 Ce3+가 Ce4+로 전환되고, 촉매는 반응계로부터 더 많은 산소를 흡착 및 저장하게 되며; 산소 함량이 낮으면 Ce4+가 Ce3+로 변환되고 촉매는 반응 시스템에 더 많은 산소를 방출합니다. 산화세륨의 역할에는 알루미나 담체의 비표면적 및 기공 구조 안정화, 귀금속 활성 성분의 우수한 분산 유지, 촉매의 황 및 납 중독에 대한 활성 및 저항성 개선 등도 포함됩니다.
고성능 알루미나는 촉매의 비표면적과 귀금속 입자의 분산을 증가시키고, 귀금속 입자의 높은 분산을 보장하며, 일정량의 희토류 산화물을 첨가하거나 희토류 산화물로 알루미나 표면을 개질함으로써 개질 후 알루미나의 고온 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다.- 위의 고성능 알루미나 담체, 고온 및 산소 저장 성능이 높은 희토류 산화물, 기타 첨가 성분 및 탈이온수를 사용하여 귀금속을 완전히 혼합 및 분쇄한 후 코팅, 건조, 소성 및 활성화를 수행하여 얻은 삼원 정화 촉매는 성능이 우수하여 수입 촉매 제품을 대체할 수 있습니다. 알루미나는 가장 널리 사용되는 촉매 코팅 담체이지만 Al2O3의 열 안정성 문제는 특히 고온 및 수증기가 존재하는 반응 환경에서 오랫동안 사람들을 괴롭혀 왔습니다. -Al2O3는 상 변형 및 소결이 일어나 안정적인 -상 및 입자 조대화가 발생하여 비표면적이 크게 감소하여 담지된 촉매 비활성화의 중요한 원인 중 하나가 됩니다. 따라서 높은-온도 안정성과 넓은 비표면적을 갖는 알루미나 담체 재료의 연구 개발은 차세대 자동차 배기가스 정화 촉매 개발을 위한 핵심 기술입니다. 또한 중국은 희토류의 주요 생산국으로서 희토류의 장점을 어떻게 발전시켜 희토류-기반의 자동차 배기가스 정화 삼원-원 촉매를 더 나은 성능으로 개발하고 귀금속 촉매를 저렴한 희토류로 대체하는 것이 자동차 배기가스 촉매의 새로운 발전 방향이 될 것이며 전망이 넓습니다.
기타 코팅-유형 촉매
자동차 배기가스 정화용 삼원-원 촉매, 디젤 차량 배기가스 정화용 사{2}}원 촉매, 산업용 폐가스 탈황 및 탈질용 촉매, VOC 전환 촉매 등 1종의 코팅-형 촉매 외에 연료전지 전극에 코팅된 귀금속 Pt 촉매, 리튬 배터리 분리막에 나노-알루미나 코팅을 적용했습니다. 연료전지에 사용되는 Pt 촉매 담체는 주로 흑연 등 탄소-계 소재와 리튬-이온 배터리 분리막에 코팅된 나노-알루미나 소재이기 때문이다.