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用于去除汽車(chē)尾氣中有害物質(zhì)的汽車(chē)催化劑的重要性與日俱增。日本大發(fā)工業(yè)公司利用納米級(jí)合成技術(shù)開(kāi)發(fā)出了不易劣化的催化劑。由此可減少需求激增的貴金屬的用量，同時(shí)還可提高汽車(chē)性能。

既然汽車(chē)要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)獲得動(dòng)力，那么，尾氣便是一個(gè)無(wú)可避免的問(wèn)題。在尾氣造成的大氣污染成為社會(huì)問(wèn)題的1970年代以后，世界各國(guó)不斷強(qiáng)化汽車(chē)尾氣規(guī)制，汽車(chē)廠商也一直在采取相應(yīng)的措施。

汽車(chē)催化劑承擔(dān)著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行凈化的重要作用。大發(fā)工業(yè)于2003年開(kāi)發(fā)出了顛覆以往汽車(chē)催化劑常識(shí)的“智能催化劑”。與以往產(chǎn)品不同，智能催化劑幾乎沒(méi)有性能下降的問(wèn)題，并且成功地大幅減少了作為催化劑主要材料的鉑、鈀等高價(jià)貴金屬的使用量。由此便能夠以比以往更低的成本制造出性能更高的催化劑。

從2002年秋季起，大發(fā)開(kāi)始在新上市的輕型汽車(chē)“Mira”及“Move”上配備智能催化劑。

大發(fā)工業(yè)的不劣化汽車(chē)催化劑結(jié)構(gòu) （照片右側(cè)的2張圖：日本Adocon公司）

當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)工作的大發(fā)材料技術(shù)部負(fù)責(zé)人田中裕久稱(chēng)，“能夠?qū)①F金屬使用量減少7成以上”，表現(xiàn)出了充分的自信。按照田中等人的估算，如果在世界所有汽油車(chē)上采用智能催化劑，那么，全年可節(jié)約110噸的鈀。換算成金額，高達(dá)約800億日元。

在介紹這種催化劑之前，先回顧一下汽車(chē)催化劑的開(kāi)發(fā)歷史。

汽車(chē)催化劑采用如下結(jié)構(gòu)：在由金屬等物質(zhì)構(gòu)成的載體上涂一層鋁等涂層材料作為基底，再在其上涂覆貴金屬。對(duì)人體有害的氮氧化物、碳化氫（HC）及一氧化碳（CO）接觸到貴金屬后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而變成無(wú)害的物質(zhì)。鉑及鈀可使碳化氫及一氧化碳發(fā)生氧化，變成二氧化碳及水。銠能對(duì)氮氧化物產(chǎn)生去除氧元素的還原作用，使其變成氮及氧。

1970年代開(kāi)發(fā)出的三元催化劑，組合使用了鉑、鈀及銠這三種元素，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)處理必須進(jìn)行氧化的一氧化碳等物質(zhì)，以及必須進(jìn)行還原的氮氧化物。其后汽車(chē)催化劑就是以這種三元催化劑為主流。

貴金屬的需求迅速增加

逐年強(qiáng)化的汽車(chē)尾氣規(guī)制將新的問(wèn)題擺在了汽車(chē)廠商面前。規(guī)制的強(qiáng)化使得高性能汽車(chē)催化劑成為必需，廠商不得不增加高價(jià)貴金屬的使用量。拿平均每克價(jià)值數(shù)百日元到數(shù)千日元的鉑及鈀來(lái)說(shuō)，即便使用量?jī)H增加數(shù)克，也會(huì)成為導(dǎo)致成本上升的重要因素。

出處：莊信萬(wàn)豐公司（JohnsonMatthey）

被譽(yù)為新一代汽車(chē)的燃料電池車(chē)的面世也成為一個(gè)問(wèn)題。在作為燃料電池車(chē)核心部件的電堆（Stack）中，為了使氧與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電，要使用大量的貴金屬。其用量是汽車(chē)催化劑的數(shù)倍。

在燃料電池車(chē)與發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)共存的時(shí)代，存在著貴金屬供求更加緊張、價(jià)格出現(xiàn)暴漲的可能性。大發(fā)開(kāi)發(fā)出的可大幅減少貴金屬使用量的新催化劑備受關(guān)注的理由也在于此。

新催化劑之所以能夠大幅削減貴金屬量，是因?yàn)椴捎昧耸官F金屬的尾氣凈化能力不容易下降的結(jié)構(gòu)。

一般情況下，用于汽車(chē)催化劑的貴金屬被涂覆在涂層材料的表面。以前普遍看法認(rèn)為，如果尾氣不直接接觸貴金屬，便不會(huì)產(chǎn)生效果。

當(dāng)涂覆的貴金屬接觸到超過(guò)1000度的尾氣時(shí)，貴金屬粒子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并結(jié)合，體型因而增大。貴金屬的表面積變小，性能下降。因此，為了保證行駛8萬(wàn)公里之后仍能保持凈化性能，此前一直是涂覆大量的貴金屬。

性能不會(huì)下降的催化劑打破了這種常識(shí)。田中說(shuō)：“因?yàn)槲也皇羌兇庋芯看呋瘎┑�，所以才得以成功了�！碧镏幸郧霸谠�材料企業(yè)里搞陶瓷研究，與汽車(chē)催化劑完全沒(méi)有瓜葛。開(kāi)始接觸催化劑，是在他進(jìn)入大發(fā)之后。

田中等人的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)不是將鈀涂覆在涂層材料上，而是在納米水平上使其融入到涂層材料內(nèi)部。這種涂層材料也有其特點(diǎn)，采用的是鑭及鐵與氧進(jìn)行結(jié)合后形成了被稱(chēng)為鈣鈦礦型氧化物（Perovskite-typeOxide）的立體結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。

研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將鈀合成到上述材料中，根據(jù)決定尾氣性質(zhì)的空氣與燃料的比率（空燃比），鈀會(huì)反復(fù)進(jìn)行形成顆粒出現(xiàn)在材料表面、或者變成離子融入到材料中的運(yùn)動(dòng)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空燃比進(jìn)行控制以保證燃燒效率達(dá)到最高水平。不過(guò)，通常不是控制在最佳的1個(gè)點(diǎn)上，而是設(shè)置一定幅度進(jìn)行控制。在燃料較多的狀態(tài)與空氣較多的狀態(tài)之間周期性擺動(dòng)。

智能催化劑就利用了這一周期。在空氣較多的狀態(tài)（氧化狀態(tài)）下，鈀以離子狀態(tài)融入到涂層材料中。但是，變成了燃料較多的狀態(tài)（還原狀態(tài)）時(shí)，鈀離子便會(huì)析出，變成顆粒狀緊貼在涂層材料表面上。當(dāng)再次變成空氣較多的狀態(tài)時(shí)，鈀又變成離子回到涂層材料中。

這種現(xiàn)象因何發(fā)生，尚未得出明確答案。不過(guò)，通過(guò)反復(fù)變成顆粒狀態(tài)及離子化狀態(tài)，就能夠防止因體型增大而導(dǎo)致的性能下降，這一點(diǎn)是確實(shí)無(wú)疑的。由于尚未確定鉑及銠也有像鈀這樣的現(xiàn)象，因此，開(kāi)發(fā)人員像以往一樣采用鋁質(zhì)涂層材料，在嵌入了鈀的鈣鈦礦型氧化物上反復(fù)進(jìn)行涂覆。

田中等人在1995年前后發(fā)現(xiàn)了鈀會(huì)隨著空燃比的變化在氧化物中進(jìn)進(jìn)出出的現(xiàn)象。但是，要想得到確切證據(jù)，就必須在原子水平上掌握其運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，收集數(shù)據(jù)十分困難。

使數(shù)據(jù)收集成為可能的，是1997年日本核能研究所與日本理化學(xué)研究所合作建設(shè)的大型放射光設(shè)施“SPring-8”。大發(fā)的開(kāi)發(fā)人員在這里花了數(shù)年時(shí)間對(duì)智能催化劑的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最終成功確認(rèn)了鈀的析出及融入現(xiàn)象。

第2個(gè)難關(guān)是量產(chǎn)。即便能夠在研究所中進(jìn)行試制，但如果以納米水平將鈀摻入到作為涂層材料的氧化物中的合成技術(shù)不成熟，量產(chǎn)還是不可能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)合成10克的鈀及氧化物，就要花費(fèi)1小時(shí)。如果這樣，很難投入生產(chǎn)。

對(duì)外銷(xiāo)售納入視野

將田中等人從困境之中解救出來(lái)的，是與汽車(chē)催化劑毫不相干的農(nóng)藥制造商日本北興化學(xué)工業(yè)公司。該公司將金屬合成作為一項(xiàng)新業(yè)務(wù)來(lái)開(kāi)展，在讀了田中等人的論文后就與他們進(jìn)行了聯(lián)系。北興化學(xué)通過(guò)對(duì)陶瓷合成法進(jìn)行改良，確立了混合鈀與氧化物的量產(chǎn)方法。當(dāng)時(shí)每個(gè)月可生產(chǎn)1～2噸。采用北興化學(xué)合成的氧化物，由豐田集團(tuán)旗下的催化劑廠商科特拉公司（Cataler）生產(chǎn)智能催化劑。在2003年，月產(chǎn)量約為2.4萬(wàn)個(gè)。

加工費(fèi)比起以往產(chǎn)品，平均每個(gè)增加數(shù)百日元，鈣鈦礦型氧化物的價(jià)格是鋁質(zhì)涂層材料的10倍。盡管如此，由于可減少在成本中占大部分的貴金屬，因而，從總成本來(lái)看，還是低于以往的催化劑。

當(dāng)然，大發(fā)也將向其他汽車(chē)廠商供貨納入視野。時(shí)任大發(fā)社長(zhǎng)山田隆哉明確表示“將向其他公司銷(xiāo)售”。雖然當(dāng)時(shí)生產(chǎn)尚不能滿足大發(fā)自身的需求，但是其他汽車(chē)廠商很有可能采用這種催化劑。一直致力于催化劑研究的母公司豐田汽車(chē)公司也對(duì)智能催化劑非常關(guān)注。

另一方面，催化劑專(zhuān)家也提出了嚴(yán)厲意見(jiàn)。某家催化劑相關(guān)廠商的員工說(shuō)：“因?yàn)榇呋瘎┦且?0年為單位進(jìn)行使用的產(chǎn)品，所以可靠性最為重要，而（智能催化劑在）大量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量如何尚不明確�！倍�且，要想讓催化劑充分發(fā)揮性能，必須從開(kāi)發(fā)階段就結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的特性進(jìn)行微調(diào)。

不能在尾氣問(wèn)題十分嚴(yán)重的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，這也是一個(gè)難點(diǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是向吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣中噴射燃料，使其自然著火，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)經(jīng)常處于氧氣較多的狀態(tài)。因此，利用發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空燃比變化的智能催化劑便無(wú)法發(fā)揮特性。

不過(guò)，這種催化劑確實(shí)打破了以往的常識(shí)，為之后的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步發(fā)展打下了基石。（日經(jīng)技術(shù)在線 供稿）