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如果說電瓶車最容易被偷的部分是電瓶，那麼對于零件更複雜的汽車來說，哪一部分更容易被偷呢？
撰文｜王怡博
審校｜二七
在一個月黑風高的夜晚，正在“酣睡”的汽車被金屬工具的聲音“吵醒”——有人在“切割”它們底盤的部件。不過當下汽車的主人還意識不到發生了什麼，隻有到早上開啟發動機之後，才會聽到汽車“哀嚎”的排氣聲。而且對于粗心的主人，汽車還得讓自己的屁股冒出黑煙以發出求救信号：“我底盤上的三元催化器被偷了！”。
三元催化器是汽車機後尾氣處理系統中的主要部分。對這些部件暗地裡動手腳的可不隻有小偷，還有這幾年被曝出“排放門”的汽車制造商。
2015年9月，美國環境保護局指控大衆汽車所售部分柴油車安裝了專門應對尾氣排放檢測的軟體，可以識别汽車是否處于被檢測狀态，并在車檢時調整尾氣處理裝置以達到高環保标準。随後，奔馳、福特等大型汽車制造商都被曝出了排放造假問題。而在中國，據報道有一些汽車修理廠會幫忙在車檢時裝上三元催化器，年檢後再拆下來。
不過問題是，不論是小偷還是汽車制造商，為什麼要如此費周折地安裝、拆卸、控制汽車的三元催化器呢？在解答這個問題之前，我們得先回到20世紀，催化器即将出現的時候。
催化器的誕生
自20世紀初，洛杉矶就因其霧霾天氣而出名。在霧霾籠罩的日子裡，孩子被迫留在家裡而不能出門，醫院的急診室裡也擠滿了頭痛和呼吸短促的病人。整個洛杉矶都陷入了低潮，這迫使各界不斷尋找解決空氣污染問題的方法。
在這場對抗霧霾的鬥争中，美國加州理工學院的化學教授Dr. Arie Haagen-Smit起到了關鍵的作用。他從1948年開始研究空氣污染，不僅發現了霧霾的化學成分，還研究清楚了在真實環境中，霧霾是如何産生的。他認為霧霾的形成過程很複雜，涉及氮氧化物、碳氫化合物與陽光的作用。
1948年被霧霾籠罩的美國洛杉矶。（圖檔來源：UCLA Library Special Collections）
1968年，他加入了美國加州空氣資源委員會，并發現空氣污染源可以被分為2類——固定污染源和流動污染源，前者包括大型工廠，後者則主要是汽車。當時，加利福尼亞州決定先解決後者，也就是汽車的尾氣排放。
更重要的是，1970年，美國國會通過了《清潔空氣法案》，而且時任美國總統的理查德·尼克松（Richard Nixon）在極大的壓力下建立了美國環境保護局。
對于汽車尾氣來說，不同的機型、發動機、燃料等因素會使其成分有所不同。不過一般而言，汽車尾氣主要包括3種污染物：未燃燒或燃燒不完全的碳氫化合物（HCs）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx，主要是NO）。《清潔空氣法案》要求在1976年前将汽車排放的HC、CO和NOx降低到1970年水準的10%。在其他解決方法都無法滿足如此嚴苛的法案要求下，汽車中的催化器開始登上曆史舞台。而且在衆多力量的推動下，1981年誕生了三元催化器，并成為了沿用至今的汽車尾氣處理裝置的核心。
三元催化器
當一種催化器能同時處理HC、CO和NOx這3種汽車尾氣時，就被叫做三元催化器。
問題在于，HC和CO是還原性物質，而NOx具有氧化性，是以要想把有毒的汽車尾氣轉化為其他無毒的物質，需要分别進行氧化反應和還原反應。其中，HC要被氧化為二氧化碳和水，CO要被氧化為二氧化碳，而NOx要被還原為氮氣。
這其中涉及很多複雜的過程，是以需要找到更高效的催化劑，将更多的有毒尾氣轉化為無毒産物（即催化選擇性）。而且，汽車冷啟動（發動機剛啟動時溫度較低）時會産生大量的碳氫化合物，為了避免這些物質直接排放到空氣中，三元催化劑還需要盡快發揮作用。
科學家發現，在HC和CO氧化反應中，相比于更便宜的賤金屬（如銅、鐵、鉻），鉑族金屬（鉑、钯，屬于一類貴金屬）具有更高的本征活性（催化HC和CO氧化的能力）。不過，在含鉛燃料被廢棄之前，由于貴金屬钯更容易與燃油中的鉛發生反應，是以早期研發的三元催化劑的活性中心是貴金屬鉑。直到多個國家陸續開始禁止出售含鉛燃油，比鉑更便宜的钯才逐漸開始在三元催化劑中“崛起”。
在三元催化器中，同時發生着氧化反應和還原反應。（圖檔來源：Platinum Metals Rev., 1972, 16, 74486）
相比之下，科學家用了更多的時間尋找還原NOx的催化劑。起初，科學家将希望寄托在鉑族金屬钌上，因為他們發現在催化NOx為氮氣方面，钌是金屬中的佼佼者，但钌的氧化物極易揮發，是以如何穩定钌催化劑成為了其中最大的難題。不過，最終他們還是選擇了鉑族金屬铑，因為铑的氧化物相對穩定、不易揮發，而且相比于鉑和钯，铑催化NOx還原的性能更高。
現在，在汽油車中，三元催化劑基本上都是以钯為主要成分，還有少量的铑用于NOx的轉化。由于尾氣成分不同，柴油車的三元催化劑中則主要是鉑和少量的铑。
有時候汽車尾氣的溫度能高達1100℃，而且在行駛過程中，車身也經常颠簸，是以科學家還找到了一種蜂窩狀的多孔陶瓷作為催化劑的載體，以提高活性組分的熱穩定性和機械強度。為了讓鉑族金屬均勻地分布在載體上，科學家也不斷更新技術以得到具有更多“巢室”的蜂窩狀陶瓷，來增加載體的比表面積。但陶瓷的内表面積還是太小，是以還要在巢室内塗覆表面積較大的材料，比如氧化鋁塗層。
三元催化器主要包括催化劑、載體和塗層。（圖檔來源：DOI：10.1016/S0920-5861(02)00384-X）
到這裡，鉑族金屬（活性組分）、載體和塗層這3部分就構成了基本的三元催化劑。如果将催化劑用金屬外殼保護起來，再在裡面加一些襯墊、夾層等小零件，就得到了三元催化器。
偷催化器=偷貴金屬
我們可以看到，對于三元催化器而言，最重要的成分是鉑族金屬，但它們在地殼中的含量非常低，是以産量也很低。據統計，2019年，铑的全球産量隻有不到24噸，作為對比，同屬于貴金屬的金的全球産量則達到了3300噸。
低産量自然帶來了高價格，在2021年12月27日，每克铑、钯、鉑和金的價格分别約為4150、553、175和364元人民币——1克铑比11克金還要貴。難怪小偷會在半夜前來撬走汽車底盤的三元催化器，那裡含有比金還要貴的物質，不同車型的三元催化器價值幾千元不等，有的甚至要上萬元。
貴金屬。（圖檔來源：Alesia Kozik/pexels）
此外，自2020年7月開始實施國六标準（國家第六階段機動車污染物排放标準）後，汽油車和柴油車都要再添加催化器，是以需要更多的貴金屬催化劑。如果沒有得到及時供應，钯和铑的價格也許會繼續增加。
2018年，钯的價格第二次（曆史上第一次還是在2000年左右）反超了鉑，此後便遠遠地超過了鉑的價格。目前，是否要再次用鉑來替換汽油車中的钯還仍然存有争議，更多的催化器制造商也還處于觀望階段，因為汽油車中的钯基催化劑技術已經非常成熟，重新研發鉑基催化劑則需要更多資金投入。
内燃機 vs 電動機
不僅是催化劑的成本問題在困擾着催化器的制造商，電動汽車行業的重新崛起也讓這些“大廠”感受到了危機，因為電動汽車将不再需要三元催化器。
最近，德國巴斯夫公司發表聲明稱，他們要将與三元催化劑有關的業務分離出來，作為獨立的實體存在。有分析師認為這步舉措最終是要将這個附屬的實體賣掉、轉讓出去，也就是在計劃着割掉這塊不再“肥”的肉。
法拉第電解實驗。（圖檔來源：SHEILA TERRY / SCIENCE PHOTO LIBRARY）
一家以三元催化器為主要經濟來源的英國公司Johnson Matthey，則采取了完全不同的應對政策。他們表示會繼續制造三元催化器，但也将拓展與綠色氫氣、質子交換膜燃料電池相關的業務。
要把内燃機完全替換掉并不是一件容易的事。現在，一部分科學家在努力改進各種技術以提高催化器處理汽車尾氣的能力，也有一部分科學家緻力于發展锂離子電池驅動，或燃料電池驅動的電動汽車。對于這些電動汽車來說，至少它們不用再擔心催化器被偷走的問題了。
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參考連結：
https://knowablemagazine.org/article/society/2021/why-do-thieves-keep-stealing-catalytic-converters-its-elemental?
utm_source=email&utm_medium=knowable-newsletter&utm_campaign=K_newsletter_2021-12-12
https://advancedfleetmanagementconsulting.com/eng/2020/10/11/three-way-auto-catalyst/
“Platinum 2004” fromhttps://www.technology.matthey.com/
https://www.kcet.org/socal-focus/breathe-deep-and-then-thank-the-epa-that-you-can
https://www.kcet.org/history-society/how-los-angeles-began-to-put-its-smoggy-days-behind
https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00067-2
https://doi.org/10.1016/S0920-5861(02)00384-X
http://www.tanxshu.net/xiangqing/19463.html
本文經授權轉載自微信公衆号：環球科學 作者：環球科學
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