大家好，今天很高兴可以来到工程客和大家分享和交流关于催化剂的知识，我们这个群人才济济，我在这里就是抛砖引玉了。今天讲的内容不会特别学术，就是和大家分享一些我从事这个行业的故事。
先介绍一下我自己，我本科化工专业，毕业之后去美国也是读的化工博士，博士毕业以后进了化工公司，所以算起来在这个行业里已经有10年了。首先和大家分享一些博士期间的故事。我在读博期间做过很多课题包括表面活性剂阿，电子纺织无纺布，最后就是催化剂，那做催化剂的时间也是最长的。其实念博士很有意思的一点是，你做的课题其实和你的兴趣关联不大，关键是看你的导师有没有钱拿项目。所以在当时08-09年的时候，我做的课题就是海藻石油algae oil,是不是听起来狂拽酷绚阿。这个项目在最开始拿到了NSF 美国自然基金委200万美金的funding,分为5年使用，关于研究生物质能源的工作，因为当时有个很重要的大背景就是石油价格非常高在100美元一桶，在这种情况下海藻石油/生物质燃料是很有前景的，是一种可再生的能源。
这张图是我博士论文的第一页就是跟大家大概介绍一下海藻石油是什么东西，怎么将海藻变成石油。首先我们培养的海藻里可以提取出来很多胶质，里面就有很多脂肪，我们也叫甘油三酯，通过催化剂可以转化为长链的脂肪酸，然后通过催化剂去氧，变成长链的烷烃，最后再通过加氢催化重整异构等可以变为我们用的汽油/柴油。
前一段时候大家被一个美国17岁姑娘自己在家开实验室做海藻石油的新闻刷了朋友圈，大家都觉得特别牛特别有才，但是我看到这个新闻之后就是觉得其实这个项目就是一个“坑“为什么这么说呢，因为很多时候科研也是跟着市场的方向走的，在我们开始这个项目的时候因为油价高所以大家看到海藻油的价值所以会去投资，但是5年过去了，油价从100美元跌到了30美元，其他的比如页岩油/气，可燃冰，加拿大的油砂，这些能源的生产成本都远高于直接开采的原油，更别说海藻石油了，成本数倍于目前油价，所以自然也就没有人再投资这个项目。如果从实用主义角度去考虑的话，的确是挺坑的。在当年我就面临着一毕业就失业的情况，因为没有人在做这个项目。毕业之后我去了一家化工公司虽然从事的不再是生物燃油这块但是也和催化剂沾边，就是汽车尾气催化剂。先来跟大家介绍一些什么是催化剂把。催化剂就是可以降低(增高)反应的活化能来增加(减慢)反应的速度。一般我们来说都是增加反应速度。说得通俗一点就是催化剂就像婚介所，可以将两个完全不认识的人拉到一起。所以催化剂对我们现代化工起到了举足轻重的作用。其实我昨天和大家分享过一个合成氨的故事。合成氨对人类贡献很大，发明合成氨的哈伯也因此获得了诺贝尔化学奖。
还有一种说法是合成氨对第一次世界大战也有影响，为什么这么说呢，在19世界末的时候，随着人口快速增长，要求粮食产能剧增，那么如何在有限的耕地产出更多的粮食呢，那就是使用氮肥，其次如果可以生产硝酸的话那么就可以生产火药。如何把空气中78%的氮固定下来就是大家争相研究的课题。在1909年的时候哈伯就发现通过使用铁基催化剂可以将氢气和氮气在不那么剧烈的反应条件下反应生成氨气。随后1911年，德国就建成了世界上第一个日产30吨的合成氨工厂，这个公司就是巴斯夫。在德国拥有了这项技术之后，德皇就觉得我不怕没有粮食也不怕没有火药，那么世界一站就开打了。不管说合成氨对一战的影响是什么，但是合成氨是人类科技进步的重大里程碑。
虽然催化剂可以加速活着减缓一个反应的进程，但是它还有其他的作用就是可以选择性的生产某一种产物。打个比方，如果A和B可以生成C和D，那么催化剂可以选择性的生成C或者D。
大家对这张图比较熟悉就是在1996年的亚特兰大奥运会，拳王阿里用颤抖的手点燃火炬，他当时患有帕金森氏症。帕金森是一种脑部疾病，由于脑部分泌的一种多巴胺的物质减少造成的。为了治疗这种疾病，科学家就想方法人工合成这种多巴胺。但是有意思的是，多巴胺分为左旋和右旋结构，我们也称之为手性分子，而且只有左旋结构的多巴胺才能够治疗帕金森，而右旋不可以。
由于左旋右旋的结构相同，在人工合成过程中，这两种结构就是相声相伴，很难分离，分离成本非常高。之后是由一名孟山都的科学家发明的催化剂可以选择性的生产左旋解构，而这种药对于治疗多巴胺有很好的疗效一直用到今天。
当然催化剂在石油化工的领域中的运用最最常见的，比如石油催化裂化的FCC催化剂，就是要种沸石的结构。那催化剂在平常生活中的应用也很广泛。奶油相信大家都吃过，但是你们知道我们平时吃的奶油大多都是人造奶油么，也叫麦淇淋。从动物性油脂中制作奶油的工艺非常复杂也很高，人们就想如何可以从植物性油脂通过反应变成动物油脂。后来发现植物性油脂中含有比较多的不饱和脂肪酸(双键)，而动物性油脂含有很多的饱和脂肪酸，那么就可以通过一种加氢的催化剂比如说镍，来将不饱和的脂肪酸的双键反应成饱和的脂肪酸。
那最后在总结一下催化剂的性能，催化剂就是一种介质，可以将本来不容易反应的A和B变成AB，如果我们把催化剂叫做E的话，那就是E先和A，B吸附，当降低了A，B电子结构之后，A和B就可以更容易的反应了。所以催化剂常常使用过度金属元素比如铁，镍，铂，钯等，因为这些元素用电子轨道理论来说就是D轨道有空位可以接受其他元素的电子。 接下来就介绍一下我自己工作相关的也就是汽车尾气催化剂的知识。因为我们有汽油车，柴油车所以这两种车的的后处理催化剂也不同，一个叫三元催化TWC，一个叫SCR。其中SCR不仅仅是可以用于柴油车尾气后处理，也用于电厂的脱销，因为其组成成分都是相同的都是钒坞钛。说到汽油和柴油车，那么我们就要了解一下汽油发动机和柴油发动机的不同，因为这个也是跟尾气后处理密切相关的。汽油发动机和柴油发动机最大的不同是点火方式为点燃，柴油是压燃。其次汽油大多都是预先混合充分进入缸内燃烧，当然现在为了提高汽油的使用效率也有GDI就是缸内直喷柴油机。而柴油机是直接喷油倒缸内压燃。在有一个重要的概念就是空燃比。空气和燃油的比例。 空燃比的概念就是完全氧化一克然后所需要的空气是多少，那么对于汽油车来说就是14.7，柴油车是14.3。也就是说当空气是汽油的14.7倍的时候汽油才可以充分的燃烧。对于汽油机来说通常是在空燃比的附近摆动，因为如果空气太多，汽油太少比较难以点燃。那对于柴油车来说由于柴油车要载货，需要产生很大的扭矩，所以柴油发动机是一个稀燃的工况，也就是空燃比要大于14.3。当然在空气很多的情况下，柴油可以完全燃烧，完全做功，但随随之带来的问题是产生的NO2很多。所以对于柴油车尾气处理最关键的就是还原NO2，也就是脱硝反应。
再回到汽油车尾气后处理催化剂我们称之为三元催化，为什么叫三元催化呢，是哪三元呢?这三元指的并不是催化剂中用到的铂，钯，铑，而是尾气中含有的CO， HC和NOX。 用了含有铂，钯，铑的三元催化就可以将CO氧化为CO2，HC氧化为CO2 和H2O，NOX还原为N2。从1975年美国安格公司第一个发明了三元催化剂并且应用在乘用车上，三元催化到今天也历经了很多年的发展，除了贵金属的用量越来越少，铂也渐渐不被使用，目的就是减少催化剂的成本。目前市场上比较有名的催化剂尾气供应商分别为巴斯夫，优美科还有庄信万丰。
现在我们来说说柴油机后处理系统。柴油后处理之所以被称之为系统是因为，最终的排放不仅仅取决于催化剂，其中还包括的发动机本体设计，标定，以及尿素喷射策略等等。我们知道排放法规从欧一到欧六其实其中欧一到欧三是不需要催化剂的，只需要通过调整发动机的喷射压力，废气再循环，喷油提前角等就可以改善排放。但是随着法规的日益家严，从第四阶段开始后处理催化剂就是必不可少的一个组成部分。
下图所示的就是博世的一套后处理系统，包括尿素喷射。那整个后处理的的流程就是尾气从尾管排出里面的CO，和HC可以被DOC(柴油氧化催化剂)所氧化成为CO2和H2O。之后我们看到尿素的喷射系统，尿素在170C可以水解成为氨气，那么氨气就可以在SCR催化剂上和NOX反应，生成N2。
当法规发展到了国六这套系统就不能够满足了，因为欧六/国六法规加严了对PM2.5 的管理，也就是在柴静穹顶之下记录片里说到的柴油车在怠速工况会释放非常多的PM2.5，而PM2.5不可以被我们鼻腔活着支气管所阻拦，只能直接进入到我们的肺部，对健康非常有危害。那在国六阶段，DPF也就是柴油颗粒补集器就是一个必不可少的部件，可以有效地捕捉碳烟颗粒。那会有人问如果颗粒被集满了怎么办?是的，在颗粒非常多的情况下，会造成很高的背压，所以使用DPF一定会有一个再生的过程，用高温让碳烟和氧气反应。所以在国六的系统就会有发动机的后喷或者通过一定的热管理来完成主动再生。
总的来说后处理系统是不便宜的，而且使用起来会降低我们开车的舒适度，但是我们不能因此而不使用催化剂。比如有些卡车司机会在实际使用过程中不喷尿素，那么催化剂自然没有转化效率。所以我们常常在网上看到大家批评目前环境的糟糕，但是更多的是我们自身环保意识的不断加强，从我做起。谢谢，今天的分享就到这里，有什么问题可以随时联系我。
原标题：脱硝？氧化？催化剂是个什么鬼？
