三元催化器，全稱三元催化凈化器，是安裝在汽油機排氣系統中的機外凈化裝置。該裝置可以通過氧化和還原作用將有害氣體如一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物轉化為無害的二氧化碳、水和氮氣，從而優化廢氣排放并減少汽油發動機對空氣的污染。

三元催化轉化器最早出現在19世紀末的法國，由法國化學家米歇爾·弗倫克爾于1909年提出。法國人尤金·侯德利（Eugene Houdry）于1930年開始關注煙霧和汽車尾氣造成的污染，1952年，他開發了一種催化轉化器并注冊了專利。20世紀70年代初，美國政府發起了“清潔空氣”運動，要求到1975年，機動車的污染物排放量必須減少75%。同時，始于1973年的含鉛汽油淘汰計劃也促進了催化轉化器的發展。同年，世界上第一臺量產的催化轉化器誕生。1981年，三元催化轉化器被應用于美國和加拿大的汽車上。催化轉化器可以處理的有害物質從一氧化碳和碳氫化合物變成了氮氧化物、一氧化碳和碳氫化合物，因此得名三元催化轉化器。1981年后，各國逐漸在汽車排放法規中增加了對汽油車三元催化的規定，三元催化技術得到普及。

三元催化器根據材質不同可分為氧化鋁三元催化器和陶瓷三元催化器。三元催化器一般由金屬外殼、陶瓷密封墊、催化劑涂層和陶瓷載體組成。其工作原理是當高溫有害氣體通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑會增強一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物的活性，促使它們進行一定的氧化還原反應。三元催化器通過氧傳感器控制空燃比反饋，可以凈化廢氣，提高汽油機性能，保護環境。隨著汽車競爭的加劇，催化劑的供應將突飛猛進。在技術方案方面，隨著貴金屬價格的上漲，低銠配方、薄壁涂層以及如何延長三元催化器的使用壽命成為未來發展趨勢。

三元催化轉化器是最終決定汽油機機械廢氣污染程度的關鍵部件。它的材料是氧化鋁，外殼由不銹鋼制成，內部是帶有凈化劑的網狀結構。其工作原理是:當400~800℃的高溫汽油機尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑會增強一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物三種氣體的活性，促使它們進行一定的氧化還原化學反應，其中一氧化碳在高溫下被氧化成無色無毒的二氧化碳氣體；碳氫化合物在高溫下被氧化成水（H2O）和二氧化碳；氮氧化合物被還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使汽油機尾氣得到凈化。

三元催化器主要由殼體、阻尼層、載體和催化劑涂層組成。一般來說，人們習慣稱催化劑涂層或載體和涂層為催化劑。其中，三元催化器的外殼用于防止催化劑因氧化皮剝落而堵塞；減振層主要起到減振、消除熱應力、固定載體、保溫和密封的作用；至于載體和催化劑涂層，它們分別用于承載催化劑和催化氣體。

殼：三元催化器的殼體是整個三元催化器的外部支撐部分，其作用是防止催化劑因氧化皮剝落而堵塞。三元催化轉化器的外殼由不銹鋼板制成。一些三元催化器的外殼是雙層結構，以減少外部熱輻射并保證三元催化器的反應溫度。由于三元催化器對車身地板的高溫輻射，三元催化器在進入加油站時可能會引起火災，因此一些三元催化器外殼的表面裝有半周或全周隔熱罩。

阻尼層：阻尼層（也稱為緩沖層）是夾在載體和外殼之間的由柔軟和耐高溫材料制成的緩沖層。其作用是使載體牢固地處于殼體中，防止載體因振動而位移和損壞，同時可以補償陶瓷載體與金屬殼體之間因熱脹冷縮而產生的間隙，保證載體周圍的氣密性，并使廢氣盡可能多地通過催化載體。同時，阻尼層還具有良好的隔熱能力，因此還可以降低載體內部的溫度梯度，減少載體承受的熱應力和殼體的熱變形。阻尼層的常見材料有兩種:金屬和陶瓷，形式為金屬網墊和陶瓷墊片。

載體：三元催化器的載體位于三元催化器的排氣管中，其作用是承載催化劑。早期使用氧化鋁球形載體作為催化劑，具有磨損快、阻力大的缺點，目前尚未使用。美國康寧公司在20世紀70年代發明了陶瓷蜂窩載體，并占據了主導地位。據統計，截至2019年，全球90%的三元催化器為陶瓷載體，其余為金屬載體。美國康寧公司和日本NGK公司生產的陶瓷載體年產量超過95%。陶瓷載體由堇青石通過擠壓和燒結制成，金屬載體由不銹鋼波紋板卷制成。金屬載體具有幾何表面積大、流動阻力小、加熱快和機械強度高的特點，但成本較高，主要用于緊湊型偶聯催化劑和摩托車催化劑以控制冷啟動排放。

催化劑涂層：三元催化器的催化涂層位于載體通道的壁上，載體通道的壁上涂有非常疏松的修補基面涂層，這就是催化劑涂層。催化劑涂層主要是γ-氧化鋁，粗糙和多孔的表面可以將壁的實際催化反應表面積放大約7000倍。作為活性材料的貴金屬如鉑（Pt）和鈀（Pd）以及作為助催化劑組分的稀土材料如鋇（Ba）和鑭（La）也散布在涂層表面上。其中，鉑和鈀是氧化催化劑，催化CO和HC的氧化，銠是還原催化劑，催化NOX的還原。鈀的價格低于鉑，性能接近鉑。根據催化劑工作原理的不同，可分為氧化催化劑、還原催化劑、三元催化劑和稀燃催化劑。

根據材料的不同，三效催化劑可分為氧化鋁載體三效催化劑、蜂窩陶瓷載體三效催化劑和蜂窩金屬載體三效催化劑。

氧化鋁三效催化劑：氧化鋁是應用最廣泛的催化劑載體，是早期的催化劑載體。它具有磨損快、阻力大的特點，已不再用于汽車催化劑。載體主要包括γ-al2o 3和α-al2o 3兩種相，通常由各種鋁鹽或鋁酸鹽通過水解和焙燒制成，根據不同的焙燒溫度可以獲得幾種晶相。

1.加熱至450℃~500℃生成相；

2.當加熱到300℃~1000℃時，出現幾個過渡相，η、κ、δ；可以根據不同的反應路線得到；

3.當加熱到900℃~1000℃時，可以得到幾乎無水的氧化鋁，-al2o 3開始轉變；

4.當加熱到1200℃時，它完全轉化為α-al2o 3。

從晶體學的角度來看，這些相可以概括為兩類:、γ和相屬于尖晶石結構；，屬于六方晶系。氧化鋁分解的復雜性主要取決于顆粒的種類和孔的結構，而不是晶體結構。在氧化鋁的焙燒過程中加入二氧化硅、稀土元素鑭和二價過渡金屬如鈣、鎂或鋇可以提高氧化鋁的熱穩定性。

蜂窩陶瓷三效催化劑：蜂窩陶瓷三元催化器的催化劑載體材料一般為堇青石，它是一種鋁鎂硅酸鹽，化學組成為2 al2o 3·2 MgO·5 SiO 2，具有比表面積低、傳熱系數低的特點，一般用于汽車尾氣處理的三元催化器。根據圖中堇青石的理化性能可知，堇青石具有熱膨脹系數低、抗熱震性好、熱穩定性好的特點，適用于汽車尾氣突變的環境。堇青石的熱導率與其化學成分和孔隙率有關。此外，堇青石還具有良好的機械強度和抗沖擊性，這取決于材料的性質和載體的幾何形狀，如孔隙率、壁厚和總密度。

蜂窩陶瓷三元催化器的催化劑載體的比表面積相對較低，因此通常在其壁上涂覆多孔材料以負載活性組分，通常選擇氧化鋁及其與其他氧化物的混合物。蜂窩陶瓷有兩種制備方法。一種是波紋板壓制法，其中載體用無機氧化物或鹽浸漬，然后用合適的纖維增強，用波紋板軋制和堆疊，最后在高溫下烘烤。第二種是擠出成型，通過將非精細粉末材料與增塑劑和粘合劑捏合，然后擠出，干燥和烘烤制成。大多數陶瓷載體是通過擠壓制備的。陶瓷載體是應用最廣泛的載體。

蜂窩狀金屬三元催化劑：蜂窩金屬三元催化器的催化劑載體具有耐沖擊、幾何面積大、流阻小、升溫快等特點，但其成本較高。它通常用于緊湊型耦合催化轉化器和摩托車催化轉化器，以控制冷啟動排放。浸漬和活化的方法與蜂窩陶瓷三效催化劑的載體不同。對于金屬載體，涂覆底層的方法不適用。由于金屬和涂覆在其上的氧化物的熱膨脹系數不同，很容易導致涂層脫落，因此對于金屬載體，通常采用蝕刻和氧化的方法在金屬表面形成氧化層，因此氧化層來自金屬表面的一部分，因為它不容易脫落。這種金屬氧化物的表面可以進一步浸漬具有催化活性的物質。

蜂窩金屬三元催化器的催化劑載體也可以加工成網狀，通過表面氧化處理和催化活性處理，獲得高催化活性表面，并進一步加工成各種尺寸的網狀篩網，裝入催化器中。金屬載體的特點是易于制成各種形狀，具有沖擊彈性大、幾何面積大、循環阻力小、加熱快等特點，但成本較高。

點火溫度特性：催化轉化器的轉化效率與溫度密切相關，催化轉化器只有在達到一定溫度（即起燃穩定溫度）時才能開始工作。轉換效率隨溫度變化的曲線稱為起燃溫度特性，如圖所示，轉換效率達到50%時的溫度稱為起燃溫度T50。

空燃比特性：催化轉化器的轉化效率還與空燃比A/F（或過量空氣系數λ）有關。下圖為三元催化轉化器的空燃比特性曲線。從圖中可以看出，在理論空燃比（）附近，三元催化器對一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物的轉化效率同時達到最高。為了在實際使用中滿足這一條件，有必要在閉環中控制燃料供應系統和氧傳感器。

空速特性：空速（Space velocity）定義為每小時流經催化劑的廢氣體積流量（換算成標準狀態）與催化劑體積的比值，表示反應氣體在催化劑中的停留時間。如圖所示，雖然性能較差的催化轉化器在怠速時表現出較高的轉化效率，但在汽車行駛時，轉化效率實際上很低。

優勢

1.性能穩定、質量可靠。三元催化轉化器使用高效催化劑，催化劑通常由貴金屬（如鉑、鈀、銠等）組成。).這些貴金屬具有良好的催化活性和穩定性，能有效催化尾氣中的化學反應并長時間保持催化效果。

3.使用壽命長。三元催化器使用壽命長，易于維護，因此在使用過程中無需擔心頻繁更換。

劣勢

1.降低車輛性能。三元催化轉換器在工作過程中會限制有害氣體的流動，從而降低發動機的輸出功率。

2.它是昂貴的。由于三元催化劑中含有的鉑、鈀和銠等貴金屬的開采和提煉成本較高，因此三元催化劑的價格也較高。如果三元催化器損壞需要更換，價格會更貴。

3.會有堵塞。三元催化器使用不當會造成堵塞，降低三元催化器的效率。

4.溫度敏感性高。三元催化轉化器對溫度變化很敏感。如果發動機過熱或過冷，它可能無法正常工作，從而導致廢氣排放增加和燃油效率下降。

三元催化轉化器是降低汽油機排放的重要裝置。它可以通過化學反應將有害氣體轉化為無害氣體，同時，它還可以降低汽車的噪音和振動。其主要職能是:

三元催化器

1.三元催化器可以通過氧傳感器控制空燃比反饋，將空燃比控制在理論空燃比附近。當可燃混合物的濃度很高而氧氣太少時，催化劑本身會釋放氧氣以促進碳氫化合物或一氧化碳的氧化；當可燃混合物的濃度較低且氧氣過多時，氧氣將被儲存，碳氫化合物將與一氧化碳反應變成水和二氧化碳；當未燃燒氣體因熄火而產生異常熱量時，促進化學反應的能力如表面積減小、成分變化和重金屬濃度降低。

2.提高汽油發動機的性能，延長其使用壽命。三元催化轉化器可以改善汽油機的性能，減少廢氣排放，并將有害物質轉化為無害物質，從而減少排氣管中的積碳和污垢，減少汽油機和排氣系統的腐蝕和損失，提高汽油機的燃燒效率和動力性能。此外，三元催化器還可以降低汽車的噪音和振動，提高駕駛的舒適性和安全性。

3.凈化尾氣保護環境。三元催化器可以過濾汽油發動機排放的有害氣體，并將其轉化為無害的二氧化碳、水和氮氣。這樣，尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物被氧化成無毒、無色的二氧化碳氣體，而氮氧化合物被還原成氮氣，減少了尾氣對環境的污染，使尾氣排放更清潔，降低了尾氣中污染物的濃度，減少了空氣污染，從而保護了環境。這對于保護人類健康和生態平衡具有重要意義。