完成单位

 

　　华东理工大学，凯龙高科技股份有限公司，江苏蓝烽新材料科技有限公司，上海应用技术学院。

 

　　研究内容

 

　　该项目依托国家973计划等项目的支持，开发了具有自主知识产权的整套柴油车尾气净化技术，建立起了柴油车排气后处理净化技术的完整产业链，填补了我国在该行业的空白，为全面实施国四和国五排放标准，提供了有力的技术支撑和保障。

 

　　机动车尾气排放是造成大中型城市大气污染的主要原因之一。在雾霾成为常态的今天，机动车尾气的处理好坏直接关系到我们每个人的健康。正因如此，2014年度上海市科学技术奖授奖名册中的一项技术发明奖一等奖，“柴油车尾气净化关键技术及应用”，就显得格外引人注目。该项目的关键技术是什么？他们的技术方案是如何实现的？带着这样的好奇和疑问，我们采访了项目第一完成人卢冠忠教授。

　　“我从硕士研究生时就开始了机动车尾气催化净化技术的研究。”当我问到卢教授的研究起于何时时，他的回答出乎我的意料。卢冠忠是1983年开始攻读硕士研究生的――当时中国的汽车社会还远未成型。

 

　　实际上进入这一领域对于卢冠忠自己来说也有点意外。1979年他以现役军官的身份考入华东理工大学，本科毕业后又考取了该校能源化工系主任汪仁教授的硕士研究生。汪仁教授是华东理工大学工业催化学科的奠基者，他在70年代末就开始了环境催化研究，曾以“CM型铜－稀土氧化物蜂窝状燃烧催化剂”在1983年获国家发明三等奖。汪先生在80年代意识到随着汽车成为日常交通工具，尾气排放问题将再所难免，于是果断开展了机动车尾气的催化净化研究。

 

　　作为汪仁教授的研究生，卢冠忠硕士时期开展了“CeO2在非贵金属燃烧催化剂中作用机理的研究――氧的类型、贮藏、迁移”的研究，这是稀土催化和稀土用于“非贵金属汽车尾气净化催化剂”的重要研究内容，学位论文被校学位委员会评为优秀研究生论文。

 

　　鉴于优异的学习成绩和研究能力，在汪仁教授的推荐下，华东理工大学的领导认为卢冠忠是不可多得的人才。经过学校多次申请，1987年1月终获得解放军有关部门的同意，特批卢冠忠由部队转业到了华东理工大学。这时卢冠忠已经是汪仁教授的博士研究生。进入汽车尾气催化净化领域的卢冠忠不负期望，通过三年多的努力顺利完成了《氧化铈在非贵金属氧化物燃烧催化剂中的作用》的博士学位论文，被全国20位著名专家、教授评议为优秀博士论文。

 

　　华东理工大学工业催化研究所在汽车尾气催化净化领域，经过汪仁一辈的筚路蓝缕，在卢冠忠接班后又进一步拓展，到现任所长的郭杨龙教授（本次获奖排名第四），已经是第三代。研究传统传承发扬，研究队伍也逐渐扩大，整个研究团队包括研究生已经发展到了近百人，是国内最重要的工业催化和稀土催化的研究基地。最为代表性的是卢冠忠作为首席科学家，连续承担了两个国家973计划项目：2004年卢冠忠和他的团队承担了国家科技部973计划项目“高丰度稀土元素在环境保护领域中高效、高质利用的基础研究”；2009年他和他的团队又获国家科技部973计划项目“清洁能源生产和环境治理重稀土催化材料应用的基础研究”。

 

　　从攻读硕士至今已有30余年的时间，其间即便承担了繁重的管理工作，卢冠忠始终坚持催化剂和催化技术的科学研究工作。“作为大学的教授，科研和培养学生始终是我最看重的，”他说。而与他同行的，则是一个以工业催化为主业，坚持30年、越发成熟和稳定的科学研究团队。

 

　　对汽车尾气处理研究的持续投入，也显示了国家对这一课题研究的迫切需要。

 

　　汽车排放的尾气主要包括CO（一氧化碳）、HC（碳氢化合物）、NOx（氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的。

 

　　这些排放物对环境造成极大污染的同时也对人体带来很大伤害，因此早在上世纪六七十年代，欧美地区就出台了汽车尾气排放的法规制度。与发达国家相比，我国汽车尾气排放法规起步较晚。1983年，我国颁布了第一批机动车尾气污染控制排放标准；1989年至1993年又陆续颁布了一批标准，形成了我们国家较为完整的汽车尾气排放标准体系。

 

　　2000年后，我国的汽车尾气排放全面接轨欧洲标准。2000年前后颁布了第一、二阶段（相当于欧Ⅰ、欧Ⅱ）机动车排放标准；2005年颁布三、四阶段排放标准（相当于欧Ⅲ、欧Ⅳ）。汽车尾气排放标准的快节奏提升，也就要求汽车尾气排放的处理技术必须迅速跟上。

 

　　而国家标准的不断提高，正是卢冠忠研究团队不断前行的目标。“我们的做法，就是要始终紧跟国家环保的标准，前瞻性和有针对性地开展科研工作。”卢冠忠说。

 

　　汽车尾气的处理，一种方法是提高汽车发动机技术从源头上降低污染物的排放水平。但是发动机技术的改进并不能彻底消除尾气中有害物质的排放，按照国际上现行的普遍采用的处理方法，是在汽车排气出口处安装尾气催化净化器，将汽车尾气污染物在排放出口处消除。这种解决方案也称为“后处理”。

 

　　“后处理”的实现，是让排放物――高温废气流――经过催化剂的载体时，其中的有害物质（CO、HC、NOx、PM），在催化剂和温度的作用下发生化学反应，转化为无毒的二氧化碳、氮气和水。显然，这一技术的关键，在于促成这些化学反应高效进行的尾气净化催化剂。

 

　　人们很早就注意到稀土具有独特的化学性质，可以用作催化剂组分。但是燃油种类、油品的不同，决定了催化剂的组分和性能的不同。而且稀土要与贵金属“合作”才能形成催化能力。这又衍生出了新的难题。

 

　　早期，我国机动车使用的汽油品质较低，含有铅成分，排出的废气也含有铅。而净化器中的贵金属铂、铑、钯，很容易和铅发生反应，然后就失去活性。作为应对，华东理工大学的研究团队开发出了稀土型非贵金属汽车尾气净化三效催化剂。

 

　　随着国家取消含铅汽油，卢冠忠带领研究团队在新的起点上继续研究汽油车尾气的主要排放成分――CO、HC和NOx的催化净化。他们将稀土非贵金属催化剂改为稀土和微量贵金属（铂、铑、钯）催化剂，大大提高了催化净化效率和耐久性，适应了更高的机动车尾气排放法规的要求。这也就是卢冠忠团队第一个973项目的研究成果之一。

 

　　坚持不懈的努力换来了丰硕的研究成果。2005年,“LPG汽车尾气稀土催化净化器”获第七届上海国际工业博览会创新奖。2006年，“汽车尾气三效净化催化剂”荣获上海市技术发明一等奖。2009年，“稀土催化材料及在机动车尾气净化中的应用”获国家科技进步二等奖。还有更重要的是，他们获得了国家第二个973项目的继续支持。

 

　　早期卢冠忠团队的研究主要针对占机动车绝大多数的汽油车，在取得成功之后，从2006年开始，他们又把目标从汽油车转向了柴油车。

 

　　柴油中的碳含量比汽油中要高：汽油是一种轻油，而柴油则可以算是重油。两种发动机的工作原理也不同：汽油机是用火花塞来点燃已经混合充分的汽油蒸气与空气；而柴油机则是靠将高压柴油喷入已超过起燃点的热空气中来点燃。由于油的成分与点燃方式的不同，与汽油车相比，柴油车的CO和HC排放量要少得多，但NOx和PM的排放量则要多得多。国家环保部2013年机动车污染防治年报的数据显示，仅占16%的柴油车，贡献了机动车排放氮氧化物的68%，以及99%的颗粒物。这也就意味着，柴油机机外净化技术的重点在于处理NOx和PM。

 

　　针对柴油车尾气中占少量但仍存在的CO和HC的处理，卢冠忠团队在之前处理汽油车尾气排放时的技术积累基础上，根据柴油车尾气中HC和CO的组成进一步提高了相应的催化净化性能。图1是项目组开发的氧化催化剂的工作原理示意图。

 

　　对于碳颗粒物PM的处理，项目组采用制备含催化剂的PM捕集器，将碳颗粒边收集边催化烧掉的办法提高其捕集PM的效率。图2是碳颗粒捕捉器的工作原理示意图。

 

　　针对柴油车排出的最为复杂的氮氧化合物NOx，卢冠忠团队使用了氨还原的方法，通过氨还原剂将氮氧化合物还原为无毒的氮气和水。

 

　　“这是我们这一项目最为关键的技术成果之一，许多的研究工作都是围绕它展开的，”卢冠忠强调说。氨是液体，在流动的车上进行运输和使用并非易事，这对催化净化器结构和氨的运输系统提出了更高的要求。项目组最终采用尿素和水的混合物，加热后分解出氨的技术路线。图3是氨还原NOx催化剂的工作原理示意图。

 

　　在催化剂制备完成的基础上，还需要让尿素喷射系统在整车中高效和稳定的使用。机动车的运行环境，除了平常环境，也可能是高温地带或者极寒之地。这需要项目组必须做大量的试验调试，排除出现问题的各种可能。而这方面的工作则主要由合作的企业团队去完成。工业催化研究所30年的发展，已培养了中国催化行业各个领域大量的人才。这在一定程度上也为催化剂和催化技术研究成果的产学研合作奠定了良好的基础。

 

　　卢冠忠团队的这一项目，不仅获得了政府的奖励，也已实现了产业化，据粗略估计，这一项目3年来的产值已达11亿。

 

　　中国内燃机工业协会对这一项目的评价是：完成了我国柴油机排气后处理选择性催化还原系统完整产业链，填补了内燃机后处理行业的空白，打破了技术垄断，社会和经济效益显著。为车用柴油机制造企业实施国四排放标准，提供了有力的技术支撑和保障。

 

　　国四标准显然不是终点。2013年国家环保部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》，要求自2017年1月1日起，全国机动车将全面实施国五排放标准。相比国四标准，新标准轻型车氮氧化物排放要降低25%，重型车氮氧化物排放要降低43%。跟随这一新的标准要求，卢冠忠和他的团队还有很多的事情需要去做，也让我们期待他们做出更大的成绩。