What Materials Are Used in Gasoline 3-Way Catalytic Converters?

1. Бензинмен жүретін көліктердегі 3 жақты каталитикалық түрлендіргіштермен таныстыру

The automotive industry’s relentless pursuit of reduced environmental impact has positioned the 3-way catalytic converter (TWC) as a cornerstone technology for controlling harmful emissions from gasoline internal combustion engines. This report delves into the intricate material science and engineering behind these critical components, focusing specifically on their application in gasoline vehicles. The TWC is a sophisticated chemical reactor designed to simultaneously mitigate three primary pollutants found in engine exhaust: carbon monoxide (CO), unburnt hydrocarbons (HC), and nitrogen oxides (NOx) [1][5].

Operating within a tightly controlled environment, the TWC functions optimally when the engine’s air-fuel ratio is maintained near the stoichiometric point, precisely regulated by a lambda sensor in a closed-loop feedback system [5]. This precise control is crucial because the catalyst must facilitate both oxidation (for CO and HC) and reduction (for NOx) reactions concurrently. The evolution of TWCs has progressed from simpler oxidation catalysts to dual-bed systems, culminating in the highly efficient single-bed TWCs prevalent today, which are designed for thermal stability and rapid activation, often mounted close to the exhaust manifold [1][3]. The continuous tightening of global emission standards for CO, HC, NOx, and particulate matter is a primary driver for ongoing advancements in catalyst design and material innovation [1][6].

2. Каталитикалық субстрат материалдары мен қасиеттері

The foundation of a 3-way catalytic converter is its monolithic substrate, which provides the structural support for the catalytically active materials. While metallic substrates are also used, ceramic honeycomb structures, primarily made from cordierite, are the most common choice due to their advantageous properties [6]. Cordierite is a magnesium iron aluminum cyclosilicate mineral with the chemical formula (Mg,Fe)₂Al₄Si₅O₁₈.

Оның бірегей кристалдық құрылымы мыңдаған параллель арналары бар жоғары кеуекті, бал ұясына ұқсас матрицаны қалыптастыруға мүмкіндік береді. Кордиерит субстратының физикалық құрылымы оның қызметі үшін өте маңызды. Ол әдетте ықшам көлемдегі үлкен геометриялық бет аймағына аударылатын жоғары ұяшық тығыздығын (шаршы дюймдегі ұяшықтар, cpsi) көрсетеді. Бұл пайдаланылған газдар мен каталитикалық жуғыш қабат арасындағы байланысты барынша арттырады.

Кордиеритті мінсіз субстрат материалына айналдыратын негізгі қасиеттер:

• Термиялық тұрақтылық: Қоршаған ортадан 1000°C жоғары температураға дейін жылдам өзгерістерге төтеп беретін тамаша термиялық соққыға төзімділік.
• Төмен термиялық кеңею: Температура градиенттеріне байланысты кернеу мен крекингтің алдын алады.
• Механикалық күш: Діріл мен соққыларға қарсы тұру үшін жеткілікті берік.
• Жоғары бетінің ауданы: Жуғышты тиімді қолдануды қолдайды.
• Төмен қысымның төмендеуі: Тікелей арналар пайдаланылған ағынның кедергісін азайту арқылы қозғалтқыштың жұмысын сақтайды.

Design parameters like length and cell density are often optimized using simulation software such as Solidworks [7].

3. Жуғыш пальто құрамы және функционалдық рөлдері

Жуғыш пальто - бұл асыл металдардың жоғары дисперсиясы мен тұрақтылығын қамтамасыз ететін негізге қолданылатын кеуекті оксидті қабат.

• Гамма-Глинозем (γ-Al2O3): Жоғары бетінің ауданы (100–200 м²/г), бағалы металдардың дисперсиясын қолдайды.
• Церия-Циркония (CeO₂-ZrO₂):Ceria (CeO₂) is indispensable for its remarkable oxygen storage capacity (OSC)[1][2]. It undergoes reversible redox reactions:2CeO₂ ⇌ Ce₂O₃ + ½O₂The addition of zirconia (ZrO₂) forms a solid solution, CeO₂-ZrO₂, enhancing thermal stability and oxygen mobility. Ceria-zirconia-yttria mixed oxides (CZY) are considered the industry standard .
• Басқа тұрақтандырғыштар: Лантан оксиді (La₂O₃), барий оксиді (BaO) және неодим оксиді (Nd₂O₃) беттің тұрақтылығын және улануға төзімділігін арттырады.

The washcoat is applied as a slurry and then calcined, forming a highly porous, rough surface that maximizes the contact area for the exhaust gases and provides a stable platform for the precious metals. Some advanced TWC designs utilize double-layer washcoats, where different precious metals (e.g., Pd/Pt in one layer and Rh in another) are supported on specific ceria- or zirconia-based oxides to prevent sintering and optimize their individual catalytic functions [1][3]. The development of mesoporous oxide supports with optimal pore geometries is an ongoing area of research, aiming to reduce catalyst size and weight while significantly decreasing the required precious metal loadings [7].

4. Асыл металдар катализаторлары: құрамы және механизмдері

TWC каталитикалық жүрегі платина тобының металдарына (PGM) сүйенеді:

• Платина (Pt): Тотығуды катализдейді:
  • CO + ½O₂ → CO₂
  • CₓHᵧ + (x + y/4)O₂ → xCO₂ + y/2 H₂O
• Палладий (Pd): Тотығуды да, NOx орташа тотықсыздануын да катализдейді. Төменгі температураларда жақсы жұмыс істейді және оттегі сақтау қабілеті бар.
• Родий (Rh): NOx азайту үшін маңызды:
  • 2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂
  • 2NO₂ + 4CO₂ → N₂ + 4CO₂
  • 2NOₓ → N₂ + xO₂

The typical ratios of these PGMs vary depending on the specific application, engine type, and emission targets, but a common formulation might involve a higher proportion of palladium, followed by platinum, and a smaller but critical amount of rhodium. For instance, the platinum-based segment alone held over 40% of the market share in 2024 [6]. The chemical forms of these metals on the washcoat are typically highly dispersed nanoparticles, which maximize the active surface area for reactions. Modified impregnation procedures, such as using toluene, can produce well-dispersed Pt nanoparticles on various hydrophobic materials, showing good activity for CO and propane oxidation [1][2].

The reliance on PGMs presents significant cost and supply chain challenges due to their scarcity and price volatility [1][6]. This has driven extensive research into reducing PGM content or developing entirely PGM-free alternatives. While iridium, ruthenium, and osmium are also PGMs, they are generally not suitable for TWC conditions due to the volatility or toxicity of their oxide forms under exhaust conditions, effectively limiting the choice to Pt, Pd, and Rh [1].

5. Корпус және орау материалдары

Каталитикалық ядродан басқа, 3 жақты каталитикалық түрлендіргіштің құрылымдық тұтастығы мен жылуды басқару оның корпусы мен орау материалдарымен қамтамасыз етіледі. Бұл құрамдас бөліктер нәзік керамикалық негізді қорғауға, экстремалды температурадан оқшаулауға және көліктің шығатын жүйесінде қауіпсіз орнату нүктесін қамтамасыз етуге арналған.

• Сыртқы корпус (Shell): Сыртқы корпус әдетте мына жерден жасалады тот баспайтын болат, often featuring a double-layered design with an integrated heat shield [9]. Stainless steel is chosen for its excellent corrosion resistance, particularly against the corrosive exhaust gases and external environmental factors, and its ability to withstand high temperatures. The double-layered shell serves multiple functions:
  • Құрылымдық тұтастық: Ол ішкі катализатор кірпішін жол қоқыстарынан, соққылардан және дірілден қорғайтын берік механикалық қорғанысты қамтамасыз етеді.
  • Жылу оқшаулау: Қос қабаттар арасындағы ауа саңылауы немесе жылу қалқанының болуы ыстық катализатордан жылу сәулеленуін азайтуға көмектеседі, айналадағы көлік компоненттерін қорғайды және күйіп қалу қаупін азайтады.
  • Терінің оксидінің алдын алу: It prevents the formation of an oxide skin on the catalyst surface, which could otherwise block the catalytic sites and reduce efficiency [9].
  • Монтаждау: Ол сору жүйесіне біріктіру үшін қажетті фланецтер мен қосылымдарды қамтамасыз етеді.
• Ішкі интумесцентті төсеніш: Керамикалық негіз мен тот баспайтын болаттан жасалған корпус арасында, ан қызып кететін төсеніш материал оралған. Бұл төсеніш әдетте қыздырылған кезде айтарлықтай кеңеюге арналған керамикалық талшықтардан (мысалы, алюминий тотығы кремний талшықтарынан) жасалады. Оның функциялары түрлендіргіштің беріктігі мен өнімділігі үшін өте маңызды:
  • Механикалық қорғаныс және жастықтау: Ол амортизатор ретінде әрекет етеді, сынғыш керамикалық негізді діріл мен механикалық кернеулерге қарсы көлік құралының қозғалысы мен сору пульсациясынан қорғайды. Бұл субстраттың жарылуын немесе сынуын болдырмайды.
  • Жылу оқшаулау: Төсеме қосымша жылу оқшаулауын қамтамасыз етеді, катализатордан жылу жоғалуын азайтады және оның жұмыс температурасына тезірек жетуіне көмектеседі (жарық өшіру температурасы).
  • Қауіпсіз орнату: Қыздыру кезінде кеңейген кезде, тұндырғыш төсеніш керамикалық кірпішке қысу күшін түсіріп, оны болат корпустың ішінде мықтап ұстайды және қозғалу мен дірілден сақтайды.
  • Тығыздау: It also provides a seal, preventing exhaust gases from bypassing the catalyst brick and ensuring that all gases flow through the active catalytic channels. Other vibration damping layers, such as metal mesh pads or ceramic gaskets, may also be used [9].

Бұл корпус пен орау материалдарын мұқият таңдау және біріктіру 3 жақты каталитикалық түрлендіргіштің ұзақ мерзімді сенімділігі мен өнімділігі үшін өте маңызды, бұл оның автомобильді шығару жүйесінің қатал жұмыс ортасына төтеп бере алатынын қамтамасыз етеді.

6. Біріктірілген материалдың өнімділігі, беріктігі және құнын қарастыру

3 жақты каталитикалық түрлендіргіштің тиімділігі оның барлық құрамдас материалдары: субстрат, жуғыш пальто, бағалы металдар және корпус арасындағы синергетикалық өзара әрекеттестіктің тікелей салдары болып табылады. Олардың ұжымдық өнімділігі жалпы каталитикалық белсенділікті, термиялық төзімділікті, механикалық беріктікті және сайып келгенде, бүкіл жүйенің экономикалық тиімділігін белгілейді.

Каталитикалық белсенділік және тиімділік: The primary goal is to achieve high conversion efficiency for CO, HC, and NOx across a wide range of operating conditions. This is largely driven by the precious metals (Pt, Pd, Rh) and their dispersion on the high-surface-area washcoat [1]. The washcoat’s oxygen storage capacity, provided by ceria-zirconia, is crucial for maintaining high efficiency under fluctuating air-fuel ratios, acting as an oxygen buffer [1][2]. Computer models are extensively used to optimize catalyst loadings and layouts, enabling high performance even with reduced PGM content [1][3].

Термиялық төзімділік: Автокөліктен шығатын ауа температурасы 1000°C-тан жоғары болуы мүмкін, бұл термиялық төзімділікті басты мәселе етеді.

• Субстрат: Cordierite’s low thermal expansion and high thermal shock resistance prevent cracking and structural degradation [6].
• Жуғыш пальто: The incorporation of zirconia into ceria (CeO₂-ZrO₂) significantly enhances the thermal stability of the oxygen storage component, preventing sintering and loss of surface area [7]. Advanced washcoat designs, such as double layers, can also help prevent sintering of PGMs at high temperatures [1][3].
• Бағалы металдар: PGM sintering (agglomeration of nanoparticles into larger, less active particles) is a major cause of catalyst deactivation at high temperatures. The washcoat’s ability to disperse and stabilize PGMs is critical. Novel perovskite-based catalysts, for example, have shown superior thermal stability and resistance to activity loss even after hydrothermal aging at 1273K(1000°C), compared to standard dispersed metal catalysts [3][8]. This enhanced stability is often attributed to the substitution of palladium into the perovskite structure, which makes it less prone to sintering [8].

Механикалық беріктік: Конвертер айтарлықтай механикалық кернеулерге, соның ішінде қозғалтқыш пен жолдың тербелісіне, сондай-ақ физикалық әсерлерге төтеп беруі керек.

• Тұрғын үй: The stainless steel shell provides the primary structural integrity and protection [9].
• Қыздыратын төсеніш: This material is vital for cushioning the brittle ceramic substrate, absorbing vibrations, and securely holding the catalyst brick in place, preventing mechanical damage [9].

Шығындық тиімділік: Шығын автомобиль өндірісіндегі негізгі драйвер болып табылады. TWC-дегі ең маңызды шығындар факторы болып табылады бағалы металдардың құрамы [6]. The market for automotive three-way catalytic converters was valued at USD 11.2 billion in 2024, with the platinum-based segment alone projected to exceed USD 7 billion by 2034 [6].

• PGM бағасының құбылмалылығы: The fluctuating prices and secure supply of platinum, palladium, and rhodium directly impact manufacturing costs [6].
• Технологиялық инновациялар: Manufacturers are continuously innovating to enhance fuel economy and reduce PGM loadings while maintaining or improving conversion efficiency and durability [6]. Projects like PROMETHEUS aim to reduce PGM content, potentially cutting production costs by up to 50% while maintaining or enhancing performance [1][4].
• Өндіріс процесін оңтайландыру: The design and preparation techniques for catalyst supports, such as cost-effective methods for creating mesoporous materials, also contribute to overall cost reduction [7].
• Тұрақтылық пен құн: There is a constant trade-off between achieving high durability (which often requires more robust, sometimes more expensive, materials or higher PGM loadings) and managing production costs. The development of more thermally stable catalysts, like perovskites, can extend the converter’s lifespan, offering long-term cost benefits despite potentially higher initial material costs [3][8].

The overall market growth for TWCs is driven by increasing vehicle sales, stricter emissions regulations, and the demand for fuel-efficient vehicles, all of which necessitate continuous material and process innovation [6]. On-road monitoring of TWC performance, often via oxygen storage capacity measurements, further ensures that these complex material systems meet real-world emission targets throughout their operational life [3].

7. Дамушы материалдар және болашақ бағыттары

The landscape of catalytic converter technology is continuously evolving, driven by increasingly stringent global emission standards and the imperative to reduce reliance on expensive and scarce Platinum Group Metals (PGMs) [1][6]. Future directions in 3-way catalytic converters focus on novel materials, advanced manufacturing techniques, and integrated systems to achieve superior performance, enhanced durability, and improved sustainability.

PGM тәуелділігін және PGM емес катализаторларды азайту: The high cost and limited supply of Pt, Pd, and Rh are major motivators for research into PGM-free or low-PGM alternatives [1][6].

• Өтпелі металл оксидтері: сияқты материалдар цеолит, никель оксиді және басқа металл оксидтері are being extensively explored as potential replacements for PGMs [1]. These materials offer lower cost and greater abundance.
• Перовскит негізіндегі катализаторлар: Перовскит құрылымдары бар күрделі металл оксидтері (мысалы, АВО₃ PGM емес катализаторлардың перспективалы класы болып табылады. Мысалы, мыс қосылған LaCo₁−xCuxO₃ перовскиттер are under investigation as PGM-free catalysts for TWCs [1][4]. These materials can exhibit high thermal stability and catalytic activity, sometimes even surpassing traditional PGM catalysts in specific conditions [3][8]. Mechanochemical synthesis, including high-energy ball milling, is being used to create such perovskites [1].
• Нанотехнологиялық интеграция: Projects like NEXT-GEN-CAT have focused on incorporating low-cost transition metals into advanced ceramic substrates using nanotechnology to develop efficient catalysts [1][5]. Prototypes with low-PGM and no-PGM formulations have demonstrated compliance with Euro III emission standards, showcasing the viability of these approaches [1][5].

Жетілдірілген жуғыш пальто әзірлеу: Washcoat and catalyst development remain critical focus areas [1].

• Мезокеуекті оксидті қолдайды: Research continues into developing mesoporous oxide supports with optimized pore geometries. These structures can significantly increase the active surface area and improve the dispersion of catalytic components, potentially allowing for further reductions in metal loadings while maintaining or enhancing performance [7].
• Жаңа дайындық әдістері: Неғұрлым тиімді және берік катализаторларды жасау үшін жетілдірілген дайындау әдістері зерттелуде. Оларға мыналар жатады:
  • Ультрадыбыстық өңдеу электроплантациямен біріктірілген: Белсенді материалдарды дәл тұндыру және дисперсиялау үшін.
  • Цитрат әдісі: Біртектілігі жоғары аралас металл оксидтерін синтездеуге арналған кең таралған золь-гель түрі.
  • Плазманың электролиттік тотығуы (ПЭО): For creating porous oxide layers on metallic substrates, which can then be functionalized with catalytic materials [1].

Болашақ эмиссия ережелерін шешу: Global emission standards are becoming progressively stricter, pushing the boundaries of current TWC technology [1][6].

• Суық басталатын шығарындылар: Елеулі қиындық катализатор әлі өзінің жарықтандырғыш температурасына жетпеген және негізінен тиімсіз болатын «суық бастау» кезеңі болып табылады. Болашақ материалдар зерттеулері әлдеқайда төмен температурада белсендіретін немесе электрлік қыздырылған катализаторлармен (EHC) немесе суық басталатын шығарындыларды азайту үшін көмірсутекті тұзақтармен біріктіретін катализаторларды әзірлеуге бағытталған.
• Нақты қозғалыстағы шығарындылар (RDE): Regulations are increasingly focusing on real-world driving emissions rather than just laboratory tests. This necessitates catalysts that perform robustly and efficiently across a wider range of temperatures, speeds, and load conditions. On-road monitoring of oxygen storage capacity is already a step in this direction [3].
• Бөлшекті заттарды (PM) бақылау: TWC ең алдымен газ тәріздес ластаушы заттарды мақсатты болса да, болашақ ережелер PM үшін біріктірілген шешімдерді қажет етуі мүмкін, бұл ықтималды түрде бензин бөлшектері сүзгілерін TWC-мен бірге кеңірек қолдануға немесе PM азайту мүмкіндіктері бар катализаторларды дамытуға әкелуі мүмкін.

Тұрақтылық және айналмалы экономика: The transition to “green” mobility and the increasing focus on sustainability are driving efforts in recyclability and life cycle assessment (LCA) [1][5].

• Қайта өңдеуге жарамдылығы: The NEXT-GEN-CAT project, for instance, investigated the recyclability of TWCs, examining end-of-life scenarios and using LCA to determine the environmental impact of developed materials [1][5]. Pyro-metallurgical treatment (smelting in an inert atmosphere) was explored for efficient PGM recovery from spent catalysts [1][5]. Future research will likely focus on more energy-efficient and environmentally friendly recycling processes for both PGMs and base metals.

Проактивті шешімдер мен алыпсатарлық: Ағымдағы зерттеулерден басқа, болашақ бағыттар мыналарды қамтуы мүмкін:

• Ақылды катализаторлар: Кірістірілген сенсорлар мен AI басқаратын басқару жүйелерін пайдалана отырып, нақты уақыт режиміндегі шығару жағдайларына жауап ретінде олардың қасиеттерін (мысалы, бетінің құрылымы, оттегі сақтау сыйымдылығы) динамикалық түрде реттей алатын катализаторлар.
• Біріктірілген сорғышты тазарту жүйелері: TWC функционалдығын басқа шығарындыларды басқару технологияларымен (мысалы, NOx үшін селективті каталитикалық азайту, жетілдірілген бөлшектер сүзгілері) бір, жоғары оңтайландырылған қондырғыға біріктіретін ықшам, көп функциялы сору жүйелеріне қарай жылжу.
• Қосымша өндіріс: Кеуектер көлемінің таралуын, арна геометриясын және катализаторды орналастыруды бұрын-соңды болмаған бақылауға мүмкіндік беретін жоғары теңшелген және оңтайландырылған субстрат пен жуғыш жабын құрылымдарын жасау үшін 3D басып шығару немесе басқа қосымша өндіріс әдістерін пайдалану. Бұл масса алмасуды және каталитикалық тиімділікті айтарлықтай жақсартуға әкелуі мүмкін.
• Био-шабытталған катализ: Жаңа, жоғары тиімді және ықтимал тұрақты катализаторларды жобалау үшін биологиялық жүйелерде табылған каталитикалық механизмдерді зерттеу.

Материалтану мен химия инженериясындағы жалғасып жатқан инновациялар 3 жақты каталитикалық түрлендіргіш өнімділігінің шекарасын одан әрі ілгерілетіп, бензинмен жүретін көліктердің экологиялық іздерін азайта отырып, барған сайын қатаң экологиялық мақсаттарға қол жеткізуін қамтамасыз етеді.