稀土催化在汽车尾气净化中的研究与应用

稀土催化剂用于汽车尾气净化，效果好，质量稳定可靠，价格便宜，是一个正在发展中的稀土应用市场。自20世纪80年代以来，稀土催化剂逐步进入市场。目前美国的汽车尾气净化催化剂需求量迅速增加，并成为稀土应用的最大市场。1996年美国在这一市场的稀土用量为1.2万吨（REO），占当年稀土总用量的46%。80年代初期，日本和欧洲等国家改进了催化剂技术，将稀土加入催化剂中，降低了成本，提高了性能，大大地促进了稀土催化剂的应用。1996年日本在汽车尾气净化催化剂中的稀土用量为420吨；欧洲在这一市场中的稀土用量约为1000吨。我国的科学工作者早在70年代就开始对汽车尾气净化催化剂进行研究开发工作，经过20多年的努力，应用研究已居世界前沿水平，基本具备了产业化转化的条件。特别是在技术上采取了与国外不同的技术路线，即主要研究开发重点放在纯稀土催化剂或以稀土为基引入少量贵金属的技术方向上，这就在汽车尾气净化稀土催化剂的研究开发中形成了具有我国特色和世界先进水平的科研成果。汽车尾气净化催化剂的生产将是下世纪我国最大的催化剂行业之一，也将是稀土的主要用户之一。研究开发天然气公交车及柴油汽车净化高性能强抗硫稀土氧化物催化剂；开发欧Ⅱ和欧Ⅲ标准新型机动车尾气净化催化剂的制备工艺；开发天然气助催化高温燃烧稀土催化剂，提高燃烧炉效率和无污染排放；开发工业源排放有毒、有害、有机物等污染物气体净化催化剂。2002年环境领域包括汽车用催化剂、传感器工业源净化催化剂，稀土用量大约500吨。目前，国内已有上海、北京、无锡等地生产的稀土催化剂进入市场，并逐步在汽车尾气净化器上应用，其应用技术已达20世纪90年代世界先进水平。已在1000多部车上进行了实际应用，取得明显的净化效果。搞好稀土在这方面的应用，既开发了新的应用领域，又缓解了我国城市的大气污染，对实现经济和社会的可持续发展有着重要的意义。21世纪初，稀土在汽车尾气净化催化剂中的应用将会有一个大的飞跃，并成为一个新的稀土消费热点。稀土-贵金属复合催化剂的开发将大有可为。据估计，2005年我国将需要汽车尾气净化催化转换装置800～1000万套，需消费稀土约1500吨。2010年这组数据将达1200万套和1800吨。

在我国大中型城市，特别是在北京、上海、广州等地，汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。在北京市大气污染物排放总量中，平均有83%的一氧化碳、74%的碳氢化合物以及41%的氮氧化物是由汽车尾气排放形成的。解决汽车尾气排放污染，到目前为止，国内外公认最有效的治理办法是电喷加装尾气净化器，而净化器的核心技术是催化剂。国外主要采用贵金属作为催化剂，但即使是贵金属催化剂，在其基底的分散层里，也需加一定量的稀土以稳定氧化铝的高温相。

自Libby提出将含稀土的催化剂应用于汽车尾气净化以来，稀土氧化物特有的催化性能早已引起了催化研究者们的关注。稀土氧化物的顺磁性，晶格氧的可移动性，阳离子的可变价以及表面碱性与许多催化作用有本质的联系。随着研究的深入，稀土氧化物不仅可以用作催化剂载体和助剂，而且发现在催化剂中添加稀土氧化物能够改善高比表面涂层的热稳定性和机械强度，提高贵金属活性组分的分散度、抗中毒和耐久性能，提高催化剂的储氧能力和抗氧化性能等。

我国自20世纪70年代开展了汽车尾气净化用稀土催化剂的研究，在采用稀土部分或全面代替资源短缺的贵金属用于汽车尾气净化的研究水平上居世界前沿，用钙钛矿型稀土复合氧化物（PTO）完全或部分代替贵金属来担当催化剂的活性组份，催化还原CO、HC、NO。所研制的汽车尾气催化剂具有良好的活性，较好的热稳定性，一定的抗硫、铅中毒能力，在寿命试验中已达5万公里以上，基本具备向产业化转化的条件。但是，对稀土氧化物的催化特性的研究和对催化化学规律的认识还比较肤浅，缺乏详细而深入的研究，对稀土氧化物表面性质以及催化特性的认识远远不如对贵金属甚至过渡金属氧化物那样细致、深入。

我国政府已于2000年1月1日起执行新的尾气排放标准GB14761-1999，所有机动车只有采用电喷加装三元催化转化器才能达到新的排放标准。随着我国汽车工业的迅速发展，以及有关政府部门和公众对环境保护的日益重视，适合我国国情的汽车尾气排放净化技术和产品的市场已开始形成。

表1是我国未来几年汽车保有量和净化器市场需求的预测。显然，这部分市场的启动将带动我国稀土研究与应用领域的发展。

表1　是我国未来几年汽车保有量和净化器市场需求的预测

目前我国汽车尾气净化器生产企业已有100余家，少数企业达到了年产30万套以上的生产能力，其产品性能、质量基本能满足当前我国尾气排放控制的技术要求。但国外净化器企业涌入中国整车配套市场，对我国的净化器行业形成了巨大的潜在威胁。

除汽车以外，自1999年以来，我国一直是世界最大的摩托车制造国，摩托车的产量已超过1000万辆。目前对发达国家出口的摩托车要求必须安装尾气净化器，国内一些大中型城市已经开始要求治理摩托车的排气污染，这也是稀土催化材料应用的一个重要方面。

在柴油车的尾气污染治理中，目前主要依靠安装一个氧化净化器来对柴油车排放的碳烟以及部分气体污染物进行氧化净化治理。这也是稀土催化材料应用的一个重要领域。 

2002年以来，我国固定式小型燃油发动机的产量也快速增长。目前主要用于家用发动机、庭院剪草机、小型灌溉设备、水上动力设备等。2003年我国仅出口小型燃油发动机就达1500余万台，一些厂商已经要求安装净化装置。2003年我国生产的汽车尾气净化器产量已达320万套。包括催化剂、载体以及氧传感器所消费的各类稀土，稀土消费量达910吨。预计到2005年，我国汽车尾气净化器的市场需求将超过550万套，稀土消费量将达1560吨。