从致命烟雾到空气清洁

在1940年代,危险的高水平的空气污染开始导致问题几个大城市,尤其是在美国。这导致大量烟雾,造成低能见度和公共卫生问题,典型的是1952年大雾在伦敦,英国。科学家如阿里Haagen-Smit在美国加州理工学院的有关这些新的污染问题与内燃机的使用,后来显示车辆废气排放烟雾的主要原因在美国城市洛杉矶。¹英国和美国政府回应第一清洁空气法案在1956年和1963年,分别控制排放的工厂和发电站。这些行为是紧随其后的是第一的汽车排放法规,美国机动车空气污染控制法案(1965),²设置新标准所有的汽车在美国从1968年起,要求显著减少碳氢化合物和一氧化碳排放的汽车尾气。³

汽车排放最初降低,以满足1965年法案通过改进引擎调优,但后续立法减少更大的需求放在所谓的“标准污染物”——氧化氮(NO_x),一氧化碳和碳氢化合物——以及颗粒物和二氧化碳在接下来的几年里。因此,研究科学家Johnson Matthey等化学公司(JM)和恩格尔哈德(现在是巴斯夫的一部分)将注意力转向创新和汽车制造商更不会过时的技术发展,双向然后开始三方为汽油发动机汽车催化剂。

双向汽车催化剂

在1960年代末,JM开始开发商业上可行的汽车催化剂,以去除碳氢化合物和一氧化碳的排放由燃料燃烧不完全造成的。第一个催化剂设计在汽车尾气氧化污染物,将有毒的一氧化碳转化为二氧化碳(当时不规范),和碳氢化合物变成二氧化碳和水。进行了催化剂的耐热蜂窝陶瓷材料与氧化铝涂层,铑和铂。专门的蜂窝材料是由康宁在1972年支持的高温要求催化剂。贵金属的应用化学催化剂新技术成功的关键,因为这些专家材料最高反应所需的反应。JM自成立以来专注于贵金属200年前建立了采购方面的专业知识和处理这些材料在过去的几十年里。

催化剂技术最初遭到质疑,直到科学家证明了克莱斯勒复仇者装有催化剂可以驱动26500英里,仍然符合1970年美国清洁空气修订案——这需要进一步减少90%汽车排放到1975年(见图1)。这些双向催化剂成为世界上第一个批量生产的催化剂来控制汽车污染和被安装在车辆在1970年代早期在美国满足1975年的规定。当时,科学家们已经在一个双向工作,“双人床”催化剂⁴用铑,可以减少没有_x靠近发动机,下游铂铑催化剂和气泵氧化一氧化碳和碳氢化合物。氧化还原成立于两个不同的部分排气;发动机必须校准产生net-reducing条件,和一个气泵安装,然后创建一个net-oxidising环境。然而,这些修改带来的缺点增加生产成本和降低燃油经济性。

双向成为三方

这些问题是由氧传感器的发展和克服第一个三方催化剂(TWC) JM在1979年启用“闭环”引擎管理系统。这些系统可以准确地平衡net-oxidising和net-reducing排气条件同时氧化一氧化碳和碳氢化合物,并减少_x,一个TWC。

到1985年,JM提供一百万催化剂

这种催化剂包括氧化铈组件,可以存储或释放氧气以维持高转换水平对所有三个主要污染物。TWC被广泛采用在1980年代初为了满足我们进一步收紧排放限制在1981年。JM,到1985年提供一百万催化剂大众,和最初的TWC催化剂是原型对于今天的汽油催化剂。

三方催化剂技术自1970年代以来已经进化,但仍主要由贵金属和一个存储和释放氧/转换组件。在过去的30年里,他们已经进化到承受越来越高的温度和更耐用,现在欧洲立法要求催化剂去年60000至200000公里。现代的催化剂,如alumina-ceria-zirconia混合氧化物技术,⁵开发了操作在低得多的温度下,使驾驶更省油。也有相当大的发展的催化剂的健壮性适用于范围广泛的操作条件,从偶尔短和低速每天去高速公路开车。

柴油发动机的催化剂

柴油机汽车排放标准在1996年首次推出立法被称为2欧元,届时尾气公司已经开始开发柴油机氧化催化剂(文档)来减少排放的一氧化碳、碳氢化合物和挥发性有机分数柴油颗粒物。第一个柴油汽车与1990年一个医生来到市场及其环境影响相媲美,汽油的三方催化剂。额外的可靠性、寿命和燃油经济性的柴油汽车导致的迅速增长他们的受欢迎程度在1990年代。

然而,柴油发动机固有的燃油效率给科学家们带来了新的挑战。排气管产生更少的热量,这意味着需要有效的催化剂在较低的温度比汽油动力汽车。此外,柴油发动机操作高度氧化条件下,有利于铂或palladium-catalysed一氧化碳和碳氢化合物的氧化。但它不适合没有减少_x,因为大多数的还原剂反应更容易与排气的比没有充足的氧气_x。这是克服通过开发选择性催化还原(SCR)系统。在这些、氨引入的排气和特定的催化剂是一种优先氨无反应_x而不是氧。这种技术需要添加urea-water坦克车辆,与溶液注入到排气。然后尿素水解成氨,在SCR催化剂和转换_x氮气和水。2005年,重型柴油机排放立法- 4欧元引入和广泛采用了在所卡车和公共汽车等车辆。

为了进一步减少_x排放,汽车制造商增加了大量的氨添加进排气。这导致了行业的另一个挑战:如何防止氨-或其独特的气味的排气管。答案是介绍另一个催化剂:氨滑催化剂,氧化过量的氨氮。这种催化剂是高度选择性,只能确保氨氧化成氮气和水,不氧化完全没有_x。

2009年,欧元5介绍了规定。由于重大的健康问题与颗粒物和烟尘,这些规定包括立法,决定接受从汽车排放水平。因此,过滤器开始安装柴油轿车和重型车辆陷阱烟尘颗粒物和满足新标准。以前,积累的烟灰被撤过滤器定期通过短脉冲引擎燃烧废气的温度提高到约600°C燃烧烟尘。另一个促成烟尘过滤器是在1995年开发的JM使用二氧化氮(没有₂)的反应作为新的不断再生陷阱技术的一部分。^6、7系统使用铂氧化催化剂,将一些不从发动机排放到不₂。然后气体进口没有通过柴油微粒过滤器₂与烟尘反应产生二氧化碳和氮气。陷阱是作为改造设备开发的重型车辆和控制排放仍在广泛使用的今天,有了积极的影响在减少微粒污染在许多城市。

挑战仍来

虽然在业内已经取得了相当大的进展,仍有进一步的挑战需要克服。6欧元从2014年排放标准要求所有新的柴油和汽油的汽车满足限制一氧化碳,没有_x和颗粒物质。现在所有的柴油汽车使用_x后处理除了颗粒过滤器达到本条例。

最具挑战性的区域排放将会改善_x控制高度氧化的条件下

柴油汽车、最具挑战性和广泛的宣传,区域排放将会改善_x控制柴油机内高度氧化的条件下。越来越多的技术,使没有兴趣_x转换在非常低的温度下,比如在开车慢城。这可以通过使用一个“精益_x陷阱”而不是医生。柴油发动机通常高度氧化的条件下运行,没有排放氧化₂暂时存储,作为催化剂硝酸。运行引擎在高度降低的条件下在很短的时间内使还原剂的脉冲到达催化剂硝酸和释放和转换存储。一个没有_x陷阱因此之间的周期较长时间氧化条件的短脉冲net-reducing条件。在柴油轿车,这种技术通常是基于铂,钯和铑化学,类似于三方催化剂。

JM科学家最近发明了一种新的催化剂技术,冷启动的概念,使用金属和沸石化学存储没有_x立即从发动机接通。这些材料是能够存储_x在室温下,催化剂就开始存储引擎是开启的。随着发动机和排气加热,没有存储_x释放和下游SCR系统转化为氮气和水。这种技术允许更大的转换可能在整个驱动周期和应该没有显著差异_x对未来的排放控制。

每一个新的尾气的成功取决于与汽车制造商密切合作。他们不断的设计和性能改进发动机和结合这些发展与催化剂体系的改进减少污染物的数量和其他潜在的有害排放。这些进步也需要与制造商合作的关键材料,如催化剂基质,以及燃料和石油公司适应他们的产品更好的催化剂的性能。一个重要的例子是无铅汽油的发展,不仅对自己的引入环境原因也因为催化剂不能函数在领导面前。类似地,硫可以无意中影响许多催化剂,所以燃料公司和监管机构共同努力,减少燃料硫水平。催化剂的创新还需要催化剂公司深刻理解的法规与行业监管机构密切合作。本重要决定什么样的催化剂组合是最适合使用,需要什么性能特性和操作条件的催化剂,以及如何开发催化剂来满足未来市场的需求。betway必威游戏下载大全

超出了内燃机

未来几年,汽车制造商将他们的注意力转向电动汽车的发展。例如,沃尔沃在2017年宣布,将不再产生新的仅仅使用化石燃料的汽车,而不是将专注于电动或混合动力模型从2019年。一些国家的政府从荷兰、挪威和德国对印度提出完全禁止纯汽油和柴油汽车2025 - 2030。英国和法国在2040年计划效仿。材料供应商、催化剂技术和燃料公司,这些变化呈现新的研发挑战未来几年,随着化石燃料的汽车仍将是全球制造多年,但将需要遵守新的排放控制法规。此外,将会有相当大的机会推进当前混合动力和电动汽车技术,比如电池阴极材料的车辆,为消费者降低了成本,同时增加汽车电池的生活。

今天的汽车污染物的排放~ 1 g每英里驱动的,而1960年代汽车每英里发出超过100克

今天,新材料正在开发驱动电动汽车的未来内燃机最终会成功。新的电池技术必须优化几个重要方面为了与内燃机:材料安全,能量密度、循环寿命和最终成本的可行性。后者是重要的任何新材料的成功实现。如果电池太贵,电动汽车也将昂贵的公开采用最小。

之前的电池材料依靠大量的钴。此类材料是优化电池开发周期和范围属性在过去的20年里,包括钴酸锂、镍锰钴和nickel-cobalt-aluminium材料。然而,这些电池技术一直为客户提供所需的练习场和能量密度,日常使用的车辆。此外,挑战与钴的供应和电池技术的全球需求上升导致原材料成本的增加。这意味着高钴材料成分是不可持续的长期和备选方案不断被寻求。

JM最近开发出一个这样的一个替代eLNO电池阴极材料。在目前的电池技术和创新提供了一种材料,性能优化提供最好的电池功能。其独特的组合元素,所有被认为是未来的可用性,提供增强的能量储存和循环寿命。这给eLNO-powered车辆优越的范围和寿命,目前估计提供特性提高了25%。betway必威游戏下载大全此外,较低水平的钴和其它金属成分,生产成本降低。这些先进材料形成一个平台的替代能源,适应任何即将到来的改变在技术、监管或消费者行为,变得更加容易。

在过去的60年里,许多政府行为介绍了减少汽车排放和改善我们的空气质量。因此,今天的轿车通常污染物排放大约1 g的每英里驱动,与汽车相比1960年,通常发出超过100 g每英里。这项立法的快速成功可以归因于持续创新和整个汽车行业主要供应商之间的协作。这些创新在很大程度上由工业化学家在chemocatalysis汽车工业应用他们的知识,并与发动机制造商合作,汽车设计师和燃料供应商给市场带来新技术。汽车工业将继续依赖于化学家进一步技术创新以满足公共需要为一个更可持续的未来,无论是在开发新型催化剂对内燃机或创新的电池材料。

注:eLNO Johnson Matthey商标的集团公司

安迪·沃克在JM技术营销总监
首席执行官艾伦•尼尔森是首席技术官和部门在JM的新市场