催化剂和催化转换器

庄信万丰技术中心的艾玛·斯科菲尔德和我们一起解释了催化剂是什么以及它们是如何工作的……

Chris -首先，每个人都使用“催化转化器”这个词，但什么是催化剂，为什么它很重要?

催化剂是一种使化学反应更容易发生的物质。你可以得到一些非常不稳定的反应你想重新排列其中的原子来产生一些有用的东西，但它就是不起作用。初始材料对变成你想要的产品不感兴趣。如果你在反应中加入正确的催化剂，你可以使反应发生得更快或者用更少的能量。通常你必须在高温高压下才能让反应进行。

克里斯-他们是怎么做到的?

艾玛-想象一下，你有一个海滩小屋，海滩离你的小屋大约一英里远。在你和海滩之间有一座巨大的山。去海滩你有几种选择。其中之一就是你投入了大量的精力，所以你投入了大量的精力去爬上山，再从山的另一边走下来。不是很好。第二种选择是绕山走一圈，但要花很长时间。但如果有人挖了一条隧道从一边到另一边，你就可以很快到达海滩，而且消耗的能量少得多。这正是催化剂的作用。所以催化剂对化学反应的作用就像隧道对你的作用一样:它选择了另一条途径，使反应更容易发生。

就像隧道一样，它不会在反应中耗尽。如果你愿意，它是永远可用的?

艾玛:是的，这就是为什么当你进行化学反应时，你只需要非常少量的催化剂。因为尽管催化剂在反应过程中发生了变化，但在反应结束时它又再生了。所以每一个小原子或小分子的催化剂都可以和成百上千的反应物分子发生反应。

克里斯:听起来很棒，但是我们怎么找到这些东西呢?为什么没有一种催化剂可以推动一切?为什么我的作业没有催化剂?我们怎样才能发现完成这些聪明工作的化学物质呢?

Emma -有相当多的金属被用作催化剂，因为有两种不同类型的催化剂:均相催化剂和非均相催化剂。在均相催化剂中，反应物和生成物处于同一相。所以如果有气体反应，催化剂也是气体。在非均相反应中，试剂与催化剂处于不同的相。一个同质的例子是制作塑料袋——高密度聚乙烯。乙烯和催化剂在溶液中处于同一相。这是一个均相催化剂。在多相催化剂中，一氧化碳会变成二氧化碳。这将发生在铂金属上。

克里斯-他们的口味太贵了!

Emma -铂是非常昂贵的，但是你经常会发现一些最昂贵的金属是最好的催化剂。

为什么白金唱片这么好?这种金属有什么特别之处?它是如何做到这一点的?

艾玛:当人们问这样的问题时，科学家通常的回答是:哦，好吧，这是量子。实际上，这与这些气体分子粘附在表面的能力有关。铂很擅长把分子粘在它的表面。这很重要，因为这是反应发生的地方。铂的另一个好处是，当你有一个分子时，分子中的原子通过化学键，也就是电子，粘在一起。铂非常擅长重新排列这些电子，让分子变成别的东西。再一次，形成了化学反应发生的替代途径。

克里斯-如果你能放大铂金的表面，是什么让它如此粘稠?

艾玛:我们总是把它想象成许多小球粘在一起。作为一名催化剂化学家，我的目标之一，就是尽可能多地制造表面。我们的小块铂金被粘在陶瓷支架上。我们希望这些球的表面有尽可能多的铂金，而中间的铂金越少越好。铂是元素周期表中的一员它有很多d轨道，正是这些神奇的d轨道使它在催化和使物质粘在上面方面如此出色。所以它很容易和很多不同类型的分子成键。

克里斯-它让他们以正确的方式走到一起，他们想结婚，或者做任何你想让他们做的事……

Emma -并为它们提供了一条需要很少能量的路线，它基本上可以自发发生，或者在金属表面上只需要很少的能量。

克里斯:好的，现在转到你的排气管里的东西，汽车上的催化转化器是如何工作的?他们在做什么?

艾玛-催化转化器上的催化剂本质上是一个罐子，在发动机旁边。它的作用是净化废气。如果它是理想的，当燃料燃烧时，我们只会得到二氧化碳和水。

克里斯:我敢肯定人们会说，如果我们只有水和燃烧的氢，那将是最理想的，弗雷泽稍后会和我们讨论这个问题。

艾玛:问题是你一开始就放了燃料，你可以在前进的过程中破坏原子。但我们排出的还有一氧化碳，这是一种毒素，它与血液的结合非常强烈，以至于你无法再与氧气结合。还有一种叫做氮氧化物的气体，它是造成酸雨的氮氧化物;以及碳氢化合物，它们与NO-x结合形成烟雾。这就是20世纪70年代洛杉矶被光化学烟雾笼罩的原因，也是引发所有关于汽车污染物立法的原因。也会产生微粒，本质上是煤烟。这与呼吸系统疾病和癌症有关。所以我们显然不希望这些东西从我们的车后面出来。我们需要把催化转化器放在引擎和排气管之间，在这些东西出来的时候把它们接住。在催化转化器内部，我们有一个整体和金属。 The monolith is a ceramic and it's a honeycomb with a very large surface area and it's coated to give it an even greater surface area. If you spread it out it would cover about three football pitches. On the channels of this monolith you have little globules of the metal platinum, palladium, rhodium in various mixtures depending on whether you're a petrol or a diesel car, and these are so small that we call them nanoparticles. This is what we were talking about before. As these gases go past, which is a very quick reaction, it goes from the engine through the catalytic converter in less than a tenth of a second.

克里斯:那它一定非常快。

艾玛:是的，除非那里有催化剂，否则它不会正常发生。

克里斯:那么催化转化器能清除或转化多少气体呢?它能做很多事情吗?

艾玛:它可以减少90%的污染物，而从另一端排放出来的主要是氮、水和二氧化碳。

克里斯:所以它确实很好，但是人们停止使用含铅燃料是有动机的，因为它会让你的大脑腐烂，导致痴呆，而且铅对催化剂有很大的毒性。

艾玛-没错。如果你想想这些小金属颗粒，铅会粘在它们的表面。你减少的表面越多，这些污染气体附着在表面并使催化剂催化的机会就越小。

Chris -所以最好不要铅如果我们有更多的理由。

艾玛:最好不要铅，也不要在汽油中添加硫，因为硫是导致这种鸡蛋味的原因，或者曾经是高硫汽油的原因，有些人把这种鸡蛋味与催化转换器联系在一起。现在燃料里的硫少了，问题就小多了。

克里斯:艾玛，你的t恤是不可能不穿的，关于引擎噪音的问题，我想知道这是不是我们要讨论的问题!上面写着噪音。什么是噪音，你们今天为什么在这里?

Emma - NOISE是科学与工程新前景运动。这是一群年轻的科学家，他们在那里为科学家提供了另一种形象。克里斯，当你想到科学家的刻板印象时，你会想到什么?

克里斯——比哈勃太空望远镜更强大的眼镜，令人震惊的牙齿，20世纪60年代的打扮，用一种没人能听懂的方式喃喃自语。

艾玛:“有趣”和“有活力”这两个词并没有出现在这些描述中。

克里斯-但这就是为什么人们听裸体科学家!金宝搏app最新下载

艾玛:这就是噪音存在的原因。我们需要改变这一点。我们是新一代的年轻科学家，我们有一个网站www.noisemakers.org.uk那里有一群科学家，他们做了很多有趣的科学研究，我们想告诉人们。我们有一个滑雪物理学家，我们有一个做机器人的人，他是一个水肺潜水员。这个想法是为了向人们，特别是那些想上大学的孩子们指出，成为一名科学家不仅仅是一件白大褂!