Rh/Al2 O3 与Pd/Al2 O3 三元催化剂在真实发动机老化条件下的热失活行为差异研究

为解决汽车尾气净化催化剂高温失活难题，研究人员系统研究了Rh/Al2 O3 和Pd/Al2 O3 在发动机老化条件下的热失活机制。通过电子显微镜和CO化学吸附分析发现，Pd失活主要源于烧结导致的颗粒粗化，而Rh失活则与Rh3+ 嵌入Al2 O3 晶格的氛围依赖性行为相关。该研究为优化TWC（三元催化剂）设计提供了关键理论依据。

　　

随着汽车工业的发展，尾气排放控制成为环境保护的重要课题。三元催化剂（Three-Way Catalyst, TWC）作为汽油车尾气净化的核心部件，需要同时处理氮氧化物（NO_x
）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（THC）。然而，在接近1000°C的高温环境下，催化剂中的铂族金属（Platinum Group Metals, PGM）容易发生热失活，导致性能下降。Rh和Pd是TWC中最常用的两种活性组分，但它们的失活机制是否存在差异？这个问题直接关系到催化剂的设计优化和寿命延长。

为了回答这个问题，研究人员开展了一项系统性研究。他们制备了全尺寸蜂窝状Rh/Al₂
O₃
和Pd/Al₂
O₃
催化剂，并在发动机台架上模拟真实老化条件，考察了不同温度（800-1000°C）和气体氛围（富燃R、贫燃L及化学计量比SLR循环）对催化剂性能的影响。通过多种表征手段和活性测试，发现两种催化剂的失活路径存在显著差异：Pd失活主要由颗粒烧结主导，而Rh失活则与Rh³⁺
嵌入Al₂
O₃
晶格的现象密切相关。这项研究发表在《Catalysis Today》上，为理解PGM催化剂失活机制提供了新见解。

研究采用了多项关键技术：发动机动态老化实验模拟真实工况；高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）观察金属颗粒形貌；CO化学吸附测定金属分散度；X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素化学状态；底盘测功机测试评估催化剂实际性能；微型反应器进行实验室规模活性测试。

3.1 金属颗粒尺寸比较
通过HAADF-STEM分析发现，Pd颗粒在老化后显著增大（从<10 nm增至>100 nm），且受温度影响明显。相比之下，Rh颗粒始终保持较小尺寸（<15 nm），但在贫燃条件下几乎检测不到颗粒，表明Rh可能以离子形式进入了Al₂
O₃
晶格。化学吸附与电镜结果的差异（d_CO

d_EM
）进一步证实了这一现象。

3.2 表面浓度与化学状态
XPS分析显示，贫燃老化导致Rh³⁺
特征峰显著增强，且表面Rh浓度降低，说明Rh被深度嵌入Al₂
O₃
结构。而富燃条件则能保持金属态Rh纳米颗粒的高度分散，这归因于Rh-Al₂
O₃
界面的锚定效应。

3.3 催化活性比较
底盘测功测试表明，Rh催化剂的活性强烈依赖于老化氛围：富燃>SLR循环>贫燃。而Pd催化剂的活性下降主要与烧结程度相关，受氛围影响较小。微型反应器实验进一步证实，Rh对NO还原具有优势，而Pd更擅长CO和C₃
H₆
氧化。

这项研究揭示了PGM催化剂的两类失活路径：对于Pd/Al₂
O₃
，高温烧结是主要失活原因；而对于Rh/Al₂
O₃
，失活机制则呈现氛围依赖性——贫燃条件导致Rh³⁺
嵌入载体晶格，而富燃条件通过界面锚定效应维持了金属Rh纳米颗粒的分散性。这些发现不仅深化了对TWC失活机制的理解，还为设计抗老化催化剂提供了重要指导：在催化剂层排布时，应充分考虑Rh和Pd的不同特性，优化它们在富燃/贫燃交替工况下的稳定性。该研究对开发高效、长寿命的汽车尾气净化系统具有重要实践意义。