2013年02月19日10:12 來源：人民網-財經頻道
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用於去除汽車尾氣中有害物質的汽車催化劑的重要性與日俱增。日本大發工業公司利用納米級合成技術開發出了不易劣化的催化劑。由此可減少需求激增的貴金屬的用量，同時還可提高汽車性能。
既然汽車要通過發動機來獲得動力，那麼，尾氣便是一個無可避免的問題。在尾氣造成的大氣污染成為社會問題的1970年代以后，世界各國不斷強化汽車尾氣規制，汽車廠商也一直在採取相應的措施。
汽車催化劑承擔著對發動機產生的尾氣進行淨化的重要作用。大發工業於2003年開發出了顛覆以往汽車催化劑常識的“智能催化劑”。與以往產品不同，智能催化劑幾乎沒有性能下降的問題，並且成功地大幅減少了作為催化劑主要材料的鉑、鈀等高價貴金屬的使用量。由此便能夠以比以往更低的成本制造出性能更高的催化劑。
從2002年秋季起，大發開始在新上市的輕型汽車“Mira”及“Move”上配備智能催化劑。
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大發工業的不劣化汽車催化劑結構 （照片右側的2張圖：日本Adocon公司） |
當時領導開發工作的大發材料技術部負責人田中裕久稱，“能夠將貴金屬使用量減少7成以上”，表現出了充分的自信。按照田中等人的估算，如果在世界所有汽油車上採用智能催化劑，那麼，全年可節約110噸的鈀。換算成金額，高達約800億日元。
在介紹這種催化劑之前，先回顧一下汽車催化劑的開發歷史。
汽車催化劑採用如下結構：在由金屬等物質構成的載體上涂一層鋁等涂層材料作為基底，再在其上涂覆貴金屬。對人體有害的氮氧化物、碳化氫（HC）及一氧化碳（CO）接觸到貴金屬后會發生化學反應，從而變成無害的物質。鉑及鈀可使碳化氫及一氧化碳發生氧化，變成二氧化碳及水。銠能對氮氧化物產生去除氧元素的還原作用，使其變成氮及氧。
1970年代開發出的三元催化劑，組合使用了鉑、鈀及銠這三種元素，實現了同時處理必須進行氧化的一氧化碳等物質，以及必須進行還原的氮氧化物。其后汽車催化劑就是以這種三元催化劑為主流。
貴金屬的需求迅速增加
逐年強化的汽車尾氣規制將新的問題擺在了汽車廠商面前。規制的強化使得高性能汽車催化劑成為必需，廠商不得不增加高價貴金屬的使用量。拿平均每克價值數百日元到數千日元的鉑及鈀來說，即便使用量僅增加數克，也會成為導致成本上升的重要因素。
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| 出處：庄信萬豐公司（JohnsonMatthey） |
被譽為新一代汽車的燃料電池車的面世也成為一個問題。在作為燃料電池車核心部件的電堆（Stack）中，為了使氧與氫發生化學反應並產生電，要使用大量的貴金屬。其用量是汽車催化劑的數倍。
在燃料電池車與發動機車共存的時代，存在著貴金屬供求更加緊張、價格出現暴漲的可能性。大發開發出的可大幅減少貴金屬使用量的新催化劑備受關注的理由也在於此。
新催化劑之所以能夠大幅削減貴金屬量，是因為採用了使貴金屬的尾氣淨化能力不容易下降的結構。
一般情況下，用於汽車催化劑的貴金屬被涂覆在涂層材料的表面。以前普遍看法認為，如果尾氣不直接接觸貴金屬，便不會產生效果。
當涂覆的貴金屬接觸到超過1000度的尾氣時，貴金屬粒子產生運動並結合，體型因而增大。貴金屬的表面積變小，性能下降。因此，為了保証行駛8萬公裡之后仍能保持淨化性能，此前一直是涂覆大量的貴金屬。
性能不會下降的催化劑打破了這種常識。田中說：“因為我不是純粹研究催化劑的，所以才得以成功了。”田中以前在原材料企業裡搞陶瓷研究，與汽車催化劑完全沒有瓜葛。開始接觸催化劑，是在他進入大發之后。
田中等人的開發團隊不是將鈀涂覆在涂層材料上，而是在納米水平上使其融入到涂層材料內部。這種涂層材料也有其特點，採用的是鑭及鐵與氧進行結合后形成了被稱為鈣鈦礦型氧化物（Perovskite-typeOxide）的立體結構的陶瓷材料。
研究人員發現，如果將鈀合成到上述材料中，根據決定尾氣性質的空氣與燃料的比率（空燃比），鈀會反復進行形成顆粒出現在材料表面、或者變成離子融入到材料中的運動。
對發動機內部的空燃比進行控制以保証燃燒效率達到最高水平。不過，通常不是控制在最佳的1個點上，而是設置一定幅度進行控制。在燃料較多的狀態與空氣較多的狀態之間周期性擺動。
智能催化劑就利用了這一周期。在空氣較多的狀態（氧化狀態）下，鈀以離子狀態融入到涂層材料中。但是，變成了燃料較多的狀態（還原狀態）時，鈀離子便會析出，變成顆粒狀緊貼在涂層材料表面上。當再次變成空氣較多的狀態時，鈀又變成離子回到涂層材料中。
這種現象因何發生，尚未得出明確答案。不過，通過反復變成顆粒狀態及離子化狀態，就能夠防止因體型增大而導致的性能下降，這一點是確實無疑的。由於尚未確定鉑及銠也有像鈀這樣的現象，因此，開發人員像以往一樣採用鋁質涂層材料，在嵌入了鈀的鈣鈦礦型氧化物上反復進行涂覆。
田中等人在1995年前后發現了鈀會隨著空燃比的變化在氧化物中進進出出的現象。但是，要想得到確切証據，就必須在原子水平上掌握其運動軌跡，因此，收集數據十分困難。
使數據收集成為可能的，是1997年日本核能研究所與日本理化學研究所合作建設的大型放射光設施“SPring-8”。大發的開發人員在這裡花了數年時間對智能催化劑的分子結構進行分析，最終成功確認了鈀的析出及融入現象。
第2個難關是量產。即便能夠在研究所中進行試制，但如果以納米水平將鈀摻入到作為涂層材料的氧化物中的合成技術不成熟，量產還是不可能實現。當時，開發團隊合成10克的鈀及氧化物，就要花費1小時。如果這樣，很難投入生產。
對外銷售納入視野
將田中等人從困境之中解救出來的，是與汽車催化劑毫不相干的農藥制造商日本北興化學工業公司。該公司將金屬合成作為一項新業務來開展，在讀了田中等人的論文后就與他們進行了聯系。北興化學通過對陶瓷合成法進行改良，確立了混合鈀與氧化物的量產方法。當時每個月可生產1∼2噸。採用北興化學合成的氧化物，由豐田集團旗下的催化劑廠商科特拉公司（Cataler）生產智能催化劑。在2003年，月產量約為2.4萬個。
加工費比起以往產品，平均每個增加數百日元，鈣鈦礦型氧化物的價格是鋁質涂層材料的10倍。盡管如此，由於可減少在成本中佔大部分的貴金屬，因而，從總成本來看，還是低於以往的催化劑。
當然，大發也將向其他汽車廠商供貨納入視野。時任大發社長山田隆哉明確表示“將向其他公司銷售”。雖然當時生產尚不能滿足大發自身的需求，但是其他汽車廠商很有可能採用這種催化劑。一直致力於催化劑研究的母公司豐田汽車公司也對智能催化劑非常關注。
另一方面，催化劑專家也提出了嚴厲意見。某家催化劑相關廠商的員工說：“因為催化劑是以10年為單位進行使用的產品，所以可靠性最為重要，而（智能催化劑在）大量生產時的質量如何尚不明確。”而且，要想讓催化劑充分發揮性能，必須從開發階段就結合發動機的特性進行微調。
不能在尾氣問題十分嚴重的柴油發動機上使用，這也是一個難點。柴油發動機是向吸入到發動機內的空氣中噴射燃料，使其自然著火，發動機內經常處於氧氣較多的狀態。因此，利用發動機內空燃比變化的智能催化劑便無法發揮特性。
不過，這種催化劑確實打破了以往的常識，為之后的技術競爭進一步發展打下了基石。（日經技術在線 供稿）
