从致命的烟雾到洁净的空气

上世纪40年代，严重的空气污染开始给几个大城市带来问题，尤其是在美国。这导致了严重的烟雾，造成能见度低和公共卫生问题，典型的例子就是1952年在英国伦敦发生的大烟雾。美国加州理工学院(California Institute of Technology)的阿里•哈根斯密特(Arie ha根斯密特)等科学家将这些新的污染问题与内燃机的使用联系起来，后来证明，汽车尾气排放是美国洛杉矶烟雾的主要原因。¹作为回应，英国和美国政府分别于1956年和1963年颁布了第一批《清洁空气法案》(Clean Air act)，以规范工厂和发电厂的排放。这些法案之后很快就有了第一部汽车排放法规，美国机动车空气污染控制法(1965年)，²该法案从1968年起为美国所有汽车制定了新标准，要求大幅减少汽车尾气中的碳氢化合物和一氧化碳排放。^3.

汽车排放最初是通过改进发动机调整来减少的，以满足1965年法案，但随后的立法对所谓的“标准污染物”——氮氧化物(NO_x)、一氧化碳和碳氢化合物，以及颗粒物和二氧化碳。因此，强生万丰(Johnson Matthey)和恩格尔哈德(Engelhard，现为巴斯夫(BASF)的一部分)等化工公司的研究人员将注意力转向了汽车制造商的创新和更符合未来的开发，从用于汽油发动机汽车的双向和三元催化剂开始。

双向汽车催化剂

20世纪60年代末，JM开始为汽车开发具有商业可行性的催化剂，以去除燃料燃烧不完全造成的碳氢化合物和一氧化碳排放。第一批自动催化剂被设计用来氧化汽车尾气中的污染物，将有毒的一氧化碳转化为二氧化碳(当时没有监管)，将碳氢化合物转化为二氧化碳和水。催化剂由一种耐热的蜂窝陶瓷材料制成，表面涂有氧化铝、铑和铂。这种特殊的蜂窝材料是康宁公司于1972年开发的，用于满足催化剂的高温要求。贵金属化学的应用是新催化剂技术成功的关键，因为这些特殊材料在所需的反应中具有最高的反应活性。JM自200年前成立以来一直专注于贵金属业务，数十年来在采购和处理这些材料方面积累了丰富的专业知识。

催化剂技术最初受到质疑，直到科学家证明，安装了催化剂的克莱斯勒复仇者可以行驶26500英里，并且仍然符合1970年美国清洁空气修正案——该法案要求到1975年进一步减少90%的汽车排放量(见图1)。这些双向催化剂成为世界上第一批用于控制汽车污染的大规模生产的汽车催化剂，并于20世纪70年代初在美国安装在汽车上，以满足1975年的法规。当时，科学家们已经在研究一种双向的“双床”催化剂⁴使用铑可以减少NO_x靠近发动机，下游有铂铑催化剂和用于氧化一氧化碳和碳氢化合物的气泵。氧化还原装置设置在排气的两个不同部位;发动机必须经过校准以产生净还原条件，然后安装气泵以创造净氧化环境。然而，这些改进带来了制造成本增加和燃油经济性降低的缺点。

双向变成了三方

1979年，JM开发了氧气传感器和第一个三元催化剂(TWC)，实现了“闭环”发动机管理系统，从而克服了这些问题。这些系统能够准确地平衡净氧化和净还原排气条件，同时氧化一氧化碳和碳氢化合物，减少NO_x，只有一个TWC。

到1985年，JM已经提供了100万个催化剂

这种催化剂包括一种氧化铈成分，可以储存或释放氧气，以保持所有三种主要污染物的高转化水平。《TWC》在1980年代早期被广泛采用，以满足1981年美国进一步收紧的排放限制。到1985年，JM已经为大众汽车提供了100万辆催化剂，最初的TWC催化剂是今天汽油汽车催化剂的原型。

自20世纪70年代以来，三元催化剂技术不断发展，但仍主要由贵金属和氧气储存和释放/转换组件组成。在过去的30年里，它们已经进化到能够承受越来越高的温度，而且更加耐用，因为欧洲立法现在要求催化剂的寿命在6万至20万公里之间。现代催化剂，如氧化铝-铈-氧化锆混合氧化物技术，⁵已经发展到可以在更低的温度下工作，从而实现更节能的驾驶。催化剂的坚固性也有了相当大的发展，适用于广泛的操作条件，从偶尔的短途和低速旅行到日常高速公路驾驶。

柴油机催化剂

柴油发动机汽车的排放标准于1996年在被称为欧2的立法中首次引入，当时汽车催化剂公司已经开始开发柴油氧化催化剂(DOCs)，以减少一氧化碳、碳氢化合物和柴油颗粒物中的挥发性有机部分的排放。第一辆使用DOC的柴油汽车于1990年上市，其对环境的影响与使用三元催化剂的汽油相当。这些柴油汽车的可靠性、寿命和燃油经济性使它们在20世纪90年代迅速流行起来。

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。它们的排气管产生的热量更少，这意味着催化剂需要在比汽油动力汽车更低的温度下有效。此外，柴油发动机在高氧化条件下工作，这有利于铂或钯催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化。但不太适合还原NO_x因为大多数还原剂更容易与废气中的大量氧气发生反应，而不是与NO发生反应_x．通过开发选择性催化还原(SCR)系统克服了这一问题。在这些方法中，氨被引入到废气中，并使用特定的催化剂，使氨优先与NO反应_x而不是氧气。这项技术需要在车辆上增加一个尿素水箱，将溶液注入尾气中。然后尿素水解形成氨，氨通过SCR催化剂并转化NO_x变成氮和水。2005年，重型柴油排放法规(Euro 4)出台，scr被广泛应用于卡车和公共汽车等车辆。

为了进一步降低NO_x尾气排放方面，汽车制造商增加了尾气中氨的添加量。这给该行业带来了另一个挑战:如何防止氨(或其独特的气味)从排气管中排出。答案是引入另一种催化剂:氨滑催化剂，它将过量的氨氧化成氮。这种催化剂是高度选择性的，以确保氨只被氧化成氮和水，而不是完全氧化回NO_x．

2009年，欧盟出台了5号法规。由于颗粒物和煤烟对健康造成严重影响，这些条例包括规定车辆可接受排放水平的立法。因此，柴油乘用车和重型车辆开始安装过滤器，以捕获烟尘或颗粒物，以满足新标准。在此之前，通过发动机短时间的燃烧，将排气温度提高到600°C左右，定期将积聚的烟灰从过滤器中去除。JM于1995年开发了一种替代催化烟灰过滤器，使用二氧化氮(NO₂)为基础的反应，作为新的连续再生陷阱技术的一部分。^6、7该系统使用铂氧化催化剂，将发动机排放的一些NO转化为NO₂．气体原料然后通过柴油颗粒过滤器，在那里NO₂与煤烟反应产生二氧化碳和氮气。捕集器是作为控制重型车辆排放的改造装置开发的，至今仍被广泛使用，在许多城市减少颗粒物污染方面产生了积极影响。

挑战仍在

尽管该行业已经取得了相当大的进展，但仍有进一步的挑战需要克服。从2014年开始的欧6排放标准要求所有新柴油车和汽油车达到一氧化碳、NO的新限制_x还有微粒物质。现在所有柴油车都使用NO_x后处理除微粒过滤器外还要达到这些规定。

最具挑战性的排放领域将是改善NO_x在高氧化条件下进行控制

对于柴油车来说，最具挑战性和最广泛宣传的排放领域将是改善NO_x在柴油机高氧化条件下的控制。人们对实现NO的技术越来越感兴趣_x转换在非常低的温度，如在缓慢的城市行驶。这可以通过使用“精益NO”来实现_x而不是DOC。柴油发动机通常在高氧化条件下运行，此时NO排放被氧化为NO₂它会作为硝酸盐暂时储存在催化剂中。发动机在高度还原条件下运行很短的一段时间会导致还原剂脉冲到达催化剂，释放并转化储存的硝酸盐。一个没有_x因此，陷阱在较长时间的氧化条件和短脉冲的净还原条件之间循环。在柴油乘用车中，这种技术通常基于铂、钯和铑的化学性质，类似于三元催化剂。

JM的科学家最近开发了一种新的催化剂技术，即“冷启动概念”，该技术使用金属和沸石化学成分的组合来存储NO_x立即从发动机开关。这些材料具有贮存NO的能力_x在室温下，所以一旦发动机启动，催化剂就开始储存。当发动机和排气加热，存储NO_x被下游SCR系统释放并转化为氮和水。这项技术可以在整个驱动周期内实现更大的转换，应该会对NO产生显著影响_x未来的排放控制。

每一种新型汽车催化剂的成功都依赖于与汽车制造商的密切合作。他们不断改进发动机的设计和性能，并将这些发展与催化剂系统的改进结合起来，以减少污染物和其他潜在有害排放物的数量。这些进展还需要与关键材料制造商(如催化剂衬底)以及燃料和石油公司合作，这些公司已经对其产品进行了改进，以获得更好的催化剂性能。一个重要的例子是无铅汽油的开发，推出无铅汽油不仅是因为其本身的环境原因，而且因为自动催化剂在铅的存在下无法发挥作用。同样，硫也会在不经意间影响许多汽车催化剂，因此燃料公司和监管机构已经共同努力降低燃料的硫含量。催化剂的创新还要求催化剂公司对法规有深刻的理解，以便与行业监管机构密切合作。这对于决定最适合使用哪种类型和组合的催化剂，对催化剂的性能特征和操作条件的要求，以及如何开发催化剂以满足未来的市场需求都是重要的。澳门万博公司

超越内燃机

在接下来的几年里，汽车制造商将把重点转向电动汽车的开发。例如，沃尔沃在2017年宣布，从2019年起，它将不再生产纯化石燃料动力的新汽车，而是将专注于电动或混合动力车型。荷兰、挪威、德国和印度等几个国家的政府都提议在2025-2030年之前完全禁止纯汽油和柴油汽车。英国和法国计划在2040年之前效仿。对于材料供应商、催化剂技术和燃料公司来说，这些变化为未来几年的研发带来了新的挑战，因为化石燃料动力汽车将继续在全球生产多年，但需要遵守新的排放控制法规。此外，将有相当大的机会来推进当前的混合动力和电动汽车技术，例如用于电池汽车的正极材料，以降低消费者的成本，同时延长汽车电池的寿命。

今天的汽车每行驶一英里排放1克污染物，而20世纪60年代的汽车每英里排放超过100克

如今，人们正在开发新材料来驱动未来的电动汽车，这些汽车最终将取代内燃机。为了与内燃机竞争，新电池技术必须优化几个重要方面:材料安全、能量密度、循环寿命以及最终的成本可行性。后者对于任何新材料的成功实施都很重要。如果电池的制造成本太高，那么电动汽车的价格也会很高，公众的接受度也会很低。

以前的电池材料依赖于大量的钴。在过去的20年里，这些材料被开发用于优化电池循环和续航性能，包括锂钴氧化物、镍锰钴和镍钴铝材料。然而，这些电池技术很难为客户提供日常使用车辆所需的行驶里程和能量密度。此外，与钴供应相关的挑战以及全球对电池技术需求的增长也带来了挑战导致了原材料成本的增加．这意味着高钴成分的材料在长期内是不可持续的，人们正在不断寻找替代品。

JM最近开发的一种替代品是电池正极材料eLNO。它创新了当前的电池技术，并提供了一种具有优化性能特征的材料，以提供一流的电池能力。其独特的元素组合，所有考虑到未来的可用性，提供了增强的能量存储和循环寿命。这使得elno驱动的车辆具有更高的续航里程和寿命，目前估计在这两方面都有25%的改进。澳门万博公司此外，由于钴和其他金属成分含量较低，制造成本也降低了。这些先进的材料形成了一个替代能源的平台，使适应任何即将到来的技术、法规或消费者行为的变化变得更容易。

在过去的60年里，政府出台了许多法案来减少汽车尾气排放，改善空气质量。因此，今天的乘用车每行驶一英里排放大约1克污染物，而1960年制造的汽车每英里排放通常超过100克。这项立法的迅速成功可归功于整个汽车行业主要供应商之间的持续创新和合作。这些创新主要是由工业化学家领导的，他们将化学催化的专业知识应用于汽车工业，并与发动机制造商、车辆设计师和燃料供应商合作，将新技术推向市场。汽车行业将继续依靠化学家进行进一步的技术创新，以满足公众对更可持续未来的需求，无论是在内燃机新型催化剂的开发还是创新电池材料方面。

注:eLNO是庄信万丰集团公司的商标

安迪·沃克(Andy Walker)是JM的技术营销总监
艾伦•纳尔逊(Alan Nelson)是JM首席技术官兼新市场部门首席执行官