撰文｜王怡博

審校｜二七

在一個(gè)月黑風(fēng)高的夜晚,，正在“酣睡”的汽車(chē)被金屬工具的聲音“吵醒”——有人在“切割”它們底盤(pán)的部件。不過(guò)當(dāng)下汽車(chē)的主人還意識(shí)不到發(fā)生了什么,，只有到早上開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)之后，才會(huì)聽(tīng)到汽車(chē)“哀嚎”的排氣聲,。而且對(duì)于粗心的主人，汽車(chē)還得讓自己的屁股冒出黑煙以發(fā)出求救信號(hào)：“我底盤(pán)上的三元催化器被偷了,！”。

三元催化器是汽車(chē)機(jī)后尾氣處理系統(tǒng)中的主要部分,。對(duì)這些部件暗地里動(dòng)手腳的可不只有小偷,，還有這幾年被曝出“排放門(mén)”的汽車(chē)制造商。

2015年9月,，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局指控大眾汽車(chē)所售部分柴油車(chē)安裝了專(zhuān)門(mén)應(yīng)對(duì)尾氣排放檢測(cè)的軟件,，可以識(shí)別汽車(chē)是否處于被檢測(cè)狀態(tài),，并在車(chē)檢時(shí)調(diào)整尾氣處理裝置以達(dá)到高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。隨后,，奔馳,、福特等大型汽車(chē)制造商都被曝出了排放造假問(wèn)題。而在中國(guó),，據(jù)報(bào)道有一些汽車(chē)修理廠會(huì)幫忙在車(chē)檢時(shí)裝上三元催化器,，年檢后再拆下來(lái)。

不過(guò)問(wèn)題是,，不論是小偷還是汽車(chē)制造商,，為什么要如此費(fèi)周折地安裝、拆卸,、控制汽車(chē)的三元催化器呢？在解答這個(gè)問(wèn)題之前,，我們得先回到20世紀(jì),，催化器即將出現(xiàn)的時(shí)候。

催化器的誕生

自20世紀(jì)初,，洛杉磯就因其霧霾天氣而出名。在霧霾籠罩的日子里,，孩子被迫留在家里而不能出門(mén),，醫(yī)院的急診室里也擠滿(mǎn)了頭痛和呼吸短促的病人。整個(gè)洛杉磯都陷入了低潮,，這迫使各界不斷尋找解決空氣污染問(wèn)題的方法,。

在這場(chǎng)對(duì)抗霧霾的斗爭(zhēng)中，美國(guó)加州理工學(xué)院的化學(xué)教授Dr. Arie Haagen-Smit起到了關(guān)鍵的作用,。他從1948年開(kāi)始研究空氣污染,，不僅發(fā)現(xiàn)了霧霾的化學(xué)成分，還研究清楚了在真實(shí)環(huán)境中,，霧霾是如何產(chǎn)生的,。他認(rèn)為霧霾的形成過(guò)程很復(fù)雜,，涉及氮氧化物、碳?xì)浠衔锱c陽(yáng)光的作用,。

1948年被霧霾籠罩的美國(guó)洛杉磯,。（圖片來(lái)源：UCLA Library Special Collections）

1968年,，他加入了美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)，并發(fā)現(xiàn)空氣污染源可以被分為2類(lèi)——固定污染源和流動(dòng)污染源,，前者包括大型工廠,，后者則主要是汽車(chē),。當(dāng)時(shí)，加利福尼亞州決定先解決后者,，也就是汽車(chē)的尾氣排放,。

更重要的是，1970年,，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了《清潔空氣法案》,，而且時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的理查德·尼克松（Richard Nixon）在極大的壓力下創(chuàng)建了美國(guó)環(huán)境保護(hù)局。

圖片來(lái)源：pixabay

對(duì)于汽車(chē)尾氣來(lái)說(shuō),，不同的機(jī)型,、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料等因素會(huì)使其成分有所不同,。不過(guò)一般而言,，汽車(chē)尾氣主要包括3種污染物：未燃燒或燃燒不完全的碳?xì)浠衔铮℉Cs）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_x,，主要是NO）,。《清潔空氣法案》要求在1976年前將汽車(chē)排放的HC,、CO和NO_x降低到1970年水平的10%,。在其他解決方法都無(wú)法滿(mǎn)足如此嚴(yán)苛的法案要求下，汽車(chē)中的催化器開(kāi)始登上歷史舞臺(tái),。而且在眾多力量的推動(dòng)下,，1981年誕生了三元催化器，并成為了沿用至今的汽車(chē)尾氣處理裝置的核心,。

三元催化器

當(dāng)一種催化器能同時(shí)處理HC,、CO和NO_x這3種汽車(chē)尾氣時(shí)，就被叫做三元催化器,。

問(wèn)題在于,，HC和CO是還原性物質(zhì)，而NO_x具有氧化性,，因此要想把有毒的汽車(chē)尾氣轉(zhuǎn)化為其他無(wú)毒的物質(zhì),，需要分別進(jìn)行氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),。其中，HC要被氧化為二氧化碳和水,，CO要被氧化為二氧化碳,，而NO_x要被還原為氮?dú)狻?/p>

這其中涉及很多復(fù)雜的過(guò)程，因此需要找到更高效的催化劑,，將更多的有毒尾氣轉(zhuǎn)化為無(wú)毒產(chǎn)物（即催化選擇性）,。而且，汽車(chē)?yán)鋯?dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)溫度較低）時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的碳?xì)浠衔?/strong>,，為了避免這些物質(zhì)直接排放到空氣中,，三元催化劑還需要盡快發(fā)揮作用。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn),，在HC和CO氧化反應(yīng)中,，相比于更便宜的賤金屬（如銅、鐵,、鉻）,，鉑族金屬（鉑、鈀,，屬于一類(lèi)貴金屬）具有更高的本征活性（催化HC和CO氧化的能力）,。不過(guò)，在含鉛燃料被廢棄之前,，由于貴金屬鈀更容易與燃油中的鉛發(fā)生反應(yīng),，因此早期研發(fā)的三元催化劑的活性中心是貴金屬鉑。直到多個(gè)國(guó)家陸續(xù)開(kāi)始禁止出售含鉛燃油,，比鉑更便宜的鈀才逐漸開(kāi)始在三元催化劑中“崛起”,。

在三元催化器中，同時(shí)發(fā)生著氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),。（圖片來(lái)源：Platinum Metals Rev., 1972, 16, 74486）

相比之下,，科學(xué)家用了更多的時(shí)間尋找還原NO_x的催化劑。起初,，科學(xué)家將希望寄托在鉑族金屬釕上,，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)在催化NO_x為氮?dú)夥矫妫懯墙饘僦械馁?，但釕的氧化物極易揮發(fā),，因此如何穩(wěn)定釕催化劑成為了其中最大的難題。不過(guò),，最終他們還是選擇了鉑族金屬銠,，因?yàn)殂櫟难趸锵鄬?duì)穩(wěn)定、不易揮發(fā),，而且相比于鉑和鈀,，銠催化NO_x還原的性能更高,。

現(xiàn)在，在汽油車(chē)中,，三元催化劑基本上都是以鈀為主要成分,，還有少量的銠用于NO_x的轉(zhuǎn)化。由于尾氣成分不同,，柴油車(chē)的三元催化劑中則主要是鉑和少量的銠,。

有時(shí)候汽車(chē)尾氣的溫度能高達(dá)1100℃，而且在行駛過(guò)程中,，車(chē)身也經(jīng)常顛簸,，因此科學(xué)家還找到了一種蜂窩狀的多孔陶瓷作為催化劑的載體,，以提高活性組分的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,。為了讓鉑族金屬均勻地分布在載體上，科學(xué)家也不斷更新技術(shù)以得到具有更多“巢室”的蜂窩狀陶瓷,，來(lái)增加載體的比表面積,。但陶瓷的內(nèi)表面積還是太小，因此還要在巢室內(nèi)涂覆表面積較大的材料,，比如氧化鋁涂層,。

三元催化器主要包括催化劑、載體和涂層,。（圖片來(lái)源：DOI：10.1016/S0920-5861(02)00384-X）

到這里,，鉑族金屬（活性組分）、載體和涂層這3部分就構(gòu)成了基本的三元催化劑,。如果將催化劑用金屬外殼保護(hù)起來(lái),，再在里面加一些襯墊、夾層等小零件,，就得到了三元催化器,。

偷催化器=偷貴金屬

我們可以看到，對(duì)于三元催化器而言,，最重要的成分是鉑族金屬,，但它們?cè)诘貧ぶ械暮糠浅５停虼水a(chǎn)量也很低,。據(jù)統(tǒng)計(jì),，2019年，銠的全球產(chǎn)量只有不到24噸,，作為對(duì)比,，同屬于貴金屬的金的全球產(chǎn)量則達(dá)到了3300噸。

低產(chǎn)量自然帶來(lái)了高價(jià)格,，在2021年12月27日,，每克銠,、鈀、鉑和金的價(jià)格分別約為4150,、553,、175和364元人民幣——1克銠比11克金還要貴。難怪小偷會(huì)在半夜前來(lái)撬走汽車(chē)底盤(pán)的三元催化器,，那里含有比金還要貴的物質(zhì),，不同車(chē)型的三元催化器價(jià)值幾千元不等，有的甚至要上萬(wàn)元,。

此外，自2020年7月開(kāi)始實(shí)施國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)）后,，汽油車(chē)和柴油車(chē)都要再添加催化器,，因此需要更多的貴金屬催化劑。如果沒(méi)有得到及時(shí)供應(yīng),，鈀和銠的價(jià)格也許會(huì)繼續(xù)增加,。

2018年，鈀的價(jià)格第二次（歷史上第一次還是在2000年左右）反超了鉑,，此后便遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了鉑的價(jià)格,。目前，是否要再次用鉑來(lái)替換汽油車(chē)中的鈀還仍然存有爭(zhēng)議,，更多的催化器制造商也還處于觀望階段,，因?yàn)槠蛙?chē)中的鈀基催化劑技術(shù)已經(jīng)非常成熟，重新研發(fā)鉑基催化劑則需要更多資金投入,。

內(nèi)燃機(jī) vs 電動(dòng)機(jī)

不僅是催化劑的成本問(wèn)題在困擾著催化器的制造商,，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的重新崛起也讓這些“大廠”感受到了危機(jī)，因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)將不再需要三元催化器,。

最近,，德國(guó)巴斯夫公司發(fā)表聲明稱(chēng)，他們要將與三元催化劑有關(guān)的業(yè)務(wù)分離出來(lái),，作為獨(dú)立的實(shí)體存在,。有分析師認(rèn)為這步舉措最終是要將這個(gè)附屬的實(shí)體賣(mài)掉、轉(zhuǎn)讓出去,，也就是在計(jì)劃著割掉這塊不再“肥”的肉,。

法拉第電解實(shí)驗(yàn)。（圖片來(lái)源：SHEILA TERRY / SCIENCE PHOTO LIBRARY） 

一家以三元催化器為主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源的英國(guó)公司Johnson Matthey,，則采取了完全不同的應(yīng)對(duì)策略,。他們表示會(huì)繼續(xù)制造三元催化器，但也將拓展與綠色氫氣、質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)的業(yè)務(wù),。

要把內(nèi)燃機(jī)完全替換掉并不是一件容易的事?，F(xiàn)在，一部分科學(xué)家在努力改進(jìn)各種技術(shù)以提高催化器處理汽車(chē)尾氣的能力,，也有一部分科學(xué)家致力于發(fā)展鋰離子電池驅(qū)動(dòng),，或燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)。對(duì)于這些電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),，至少它們不用再擔(dān)心催化器被偷走的問(wèn)題了,。