2021年12月29日 20:51
【科學快訊】
如果說電瓶車最容易被偷的部分是電瓶，那麼對於零件更複雜的汽車來說，哪一部分更容易被偷呢？
撰文|王怡博
審校|二七
在一個月黑風高的夜晚，正在「酣睡」的汽車被金屬工具的聲音「吵醒」——有人在「切割」它們底盤的部件。不過當下汽車的主人還意識不到發生了什麼，只有到早上開啟發動機之後，才會聽到汽車「哀嚎」的排氣聲。而且對於粗心的主人，汽車還得讓自己的屁股冒出黑煙以發出求救信號：「我底盤上的三元催化器被偷了！」。
三元催化器是汽車機後尾氣處理系統中的主要部分。對這些部件暗地裏動手腳的可不只有小偷，還有這幾年被曝出「排放門」的汽車制造商。
2015年9月，美國環境保護局指控大眾汽車所售部分柴油車安裝了專門應對尾氣排放檢測的軟件，可以識別汽車是否處於被檢測狀態，並在車檢時調整尾氣處理裝置以達到高環保標准。隨後，奔馳、福特等大型汽車制造商都被曝出了排放造假問題。而在中國，據報道有一些汽車修理廠會幫忙在車檢時裝上三元催化器，年檢後再拆下來。
不過問題是，不論是小偷還是汽車制造商，為什麼要如此費周折地安裝、拆卸、控制汽車的三元催化器呢？在解答這個問題之前，我們得先回到20世紀，催化器即將出現的時候。
催化器的誕生
自20世紀初，洛杉磯就因其霧霾天氣而出名。在霧霾籠罩的日子裏，孩子被迫留在家裏而不能出門，醫院的急診室裏也擠滿了頭痛和呼吸短促的病人。整個洛杉磯都陷入了低潮，這迫使各界不斷尋找解決空氣汙染問題的方法。
在這場對抗霧霾的鬥爭中，美國加州理工學院的化學教授Dr。
Arie Haagen-Smit起到了關鍵的作用。他從1948年開始研究空氣汙染，不僅發現了霧霾的化學成分，還研究清楚了在真實環境中，霧霾是如何產生的。他認為霧霾的形成過程很複雜，涉及氮氧化物、碳氫化合物與陽光的作用。
1948年被霧霾籠罩的美國洛杉磯。（圖片來源：UCLA Library Special Collections）
1968年，他加入了美國加州空氣資源委員會，並發現空氣汙染源可以被分為2類——固定汙染源和流動汙染源，前者包括大型工廠，後者則主要是汽車。當時，加利福尼亞州決定先解決後者，也就是汽車的尾氣排放。
更重要的是，1970年，美國國會通過了《清潔空氣法案》，而且時任美國總統的理查德·尼克松（Richard Nixon）在極大的壓力下創建了美國環境保護局。
對於汽車尾氣來說，不同的機型、發動機、燃料等因素會使其成分有所不同。不過一般而言，汽車尾氣主要包括3種汙染物：未燃燒或燃燒不完全的碳氫化合物（HCs）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx，主要是NO）。《清潔空氣法案》要求在1976年前將汽車排放的HC、CO和NOx降低到1970年水平的10%。在其他解決方法都無法滿足如此嚴苛的法案要求下，汽車中的催化器開始登上曆史舞台。而且在眾多力量的推動下，1981年誕生了三元催化器，並成為了沿用至今的汽車尾氣處理裝置的核心。
三元催化器
當一種催化器能同時處理HC、CO和NOx這3種汽車尾氣時，就被叫做三元催化器。
問題在於，HC和CO是還原性物質，而NOx具有氧化性，因此要想把有毒的汽車尾氣轉化為其他無毒的物質，需要分別進行氧化反應和還原反應。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NOx要被還原為氮氣。
這其中涉及很多複雜的過程，因此需要找到更高效的催化劑，將更多的有毒尾氣轉化為無毒產物（即催化選擇性）。而且，汽車冷啟動（發動機剛啟動時溫度較低）時會產生大量的碳氫化合物，為了避免這些物質直接排放到空氣中，三元催化劑還需要盡快發揮作用。
科學家發現，在HC和CO氧化反應中，相比於更便宜的賤金屬（如銅、鐵、鉻），鉑族金屬（鉑、鈀，屬於一類貴金屬）具有更高的本征活性（催化HC和CO氧化的能力）。不過，在含鉛燃料被廢棄之前，由於貴金屬鈀更容易與燃油中的鉛發生反應，因此早期研發的三元催化劑的活性中心是貴金屬鉑。直到多個國家陸續開始禁止出售含鉛燃油，比鉑更便宜的鈀才逐漸開始在三元催化劑中「崛起」。
相比之下，科學家用了更多的時間尋找還原NOx的催化劑。起初，科學家將希望寄托在鉑族金屬釕上，因為他們發現在催化NOx為氮氣方面，釕是金屬中的佼佼者，但釕的氧化物極易揮發，因此如何穩定釕催化劑成為了其中最大的難題。不過，最終他們還是選擇了鉑族金屬銠，因為銠的氧化物相對穩定、不易揮發，而且相比於鉑和鈀，銠催化NOx還原的性能更高。
現在，在汽油車中，三元催化劑基本上都是以鈀為主要成分，還有少量的銠用於NOx的轉化。由於尾氣成分不同，柴油車的三元催化劑中則主要是鉑和少量的銠。
有時候汽車尾氣的溫度能高達1100℃，而且在行駛過程中，車身也經常顛簸，因此科學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定性和機械強度。為了讓鉑族金屬均勻地分布在載體上，科學家也不斷更新技術以得到具有更多「巢室」的蜂窩狀陶瓷，來增加載體的比表面積。但陶瓷的內表面積還是太小，因此還要在巢室內塗覆表面積較大的材料，比如氧化鋁塗層。
三元催化器主要包括催化劑、載體和塗層。（圖片來源：DOI：10.1016/S0920-5861（02）00384-X）
到這裏，鉑族金屬（活性組分）、載體和塗層這3部分就構成了基本的三元催化劑。如果將催化劑用金屬外殼保護起來，再在裏面加一些襯墊、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，對於三元催化器而言，最重要的成分是鉑族金屬，但它們在地殼中的含量非常低，因此產量也很低。據統計，2019年，銠的全球產量只有不到24噸，作為對比，同屬於貴金屬的金的全球產量則達到了3300噸。
低產量自然帶來了高價格，在2021年12月27日，每克銠、鈀、鉑和金的價格分別約為4150、553、175和364元人民幣——1克銠比11克金還要貴。難怪小偷會在半夜前來撬走汽車底盤的三元催化器，那裏含有比金還要貴的物質，不同車型的三元催化器價值幾千元不等，有的甚至要上萬元。
此外，自2020年7月開始實施國六標准（國家第六階段機動車汙染物排放標准）後，汽油車和柴油車都要再添加催化器，因此需要更多的貴金屬催化劑。如果沒有得到及時供應，鈀和銠的價格也許會繼續增加。
2018年，鈀的價格第二次（曆史上第一次還是在2000年左右）反超了鉑，此後便遠遠地超過了鉑的價格。目前，是否要再次用鉑來替換汽油車中的鈀還仍然存有爭議，更多的催化器制造商也還處於觀望階段，因為汽油車中的鈀基催化劑技術已經非常成熟，重新研發鉑基催化劑則需要更多資金投入。
內燃機 vs 電動機
不僅是催化劑的成本問題在困擾著催化器的制造商，電動汽車行業的重新崛起也讓這些「大廠」感受到了危機，因為電動汽車將不再需要三元催化器。
最近，德國巴斯夫公司發表聲明稱，他們要將與三元催化劑有關的業務分離出來，作為獨立的實體存在。有分析師認為這步舉措最終是要將這個附屬的實體賣掉、轉讓出去，也就是在計劃著割掉這塊不再「肥」的肉。
SHEILA TERRY / SCIENCE PHOTO LIBRARY）
一家以三元催化器為主要經濟來源的英國公司Johnson Matthey，則采取了完全不同的應對策略。他們表示會繼續制造三元催化器，但也將拓展與綠色氫氣、質子交換膜燃料電池相關的業務。
要把內燃機完全替換掉並不是一件容易的事。現在，一部分科學家在努力改進各種技術以提高催化器處理汽車尾氣的能力，也有一部分科學家致力於發展鋰離子電池驅動，或燃料電池驅動的電動汽車。對於這些電動汽車來說，至少它們不用再擔心催化器被偷走的問題了。
封面圖片來源：pixabay
參考鏈接：
utm_source=email&utm_medium=knowable-newsletter&utm_campaign=K_newsletter_2021-12-12
「Platinum 2004」 fromhttps：//www.technology.matthey.com/
http://www.tanxshu.net/xiangqing/19463.html
