催化剂的定义：能改变反应速率，而本身的组成、质量和化学性质在反应前后均不发生变化的物质叫做催化剂。加快反应的为正催化剂，减慢反应的为负催化剂。
催化剂的特点：催化剂只能实现热力学上可以发生的反应；催化剂只能缩短或延长到达平衡的时间，而不能改变转化率；催化剂具有选择性；催化剂是第一步的反应物，最后一步的产物，即经过一次化学循环后又恢复到原来的。
绿催化剂定义：绿化学要求最大限度地合理利用资源，最低限度地产生环境污染和最大限度地维护生态平衡。它对化学反应的要求是：采用无毒、无害的原料；在无毒无害及温和的条件下进行；反应必须具有高效的选择性；产品应是环境友好的。这四点要求之中有两点涉及到催化剂，人们将这类催化反应成为绿催化反应，其使用的催化剂也就称为绿催化剂。
汽车尾气净化的方法：国外早在20世纪60年代中期对汽车污染控制技术已经进行了研究开发，目前己达到实用阶段。研究表明，通过改善催化剂及其载体的性能和生产工艺，改善汽车内燃机燃烧技术及三效催化剂排气系统的处理可净化这些有害气体。汽车尾气污染控制可以分为机内和机外两种技术。机内净化主要是提高燃油质量和改善燃料在发动机中的燃烧条件，尽可能减少污染物的生成；机外净化的主要方式是安装催化净化器，对有害气体进行处理是机外尾气
净化最有效的方法，催化剂又是净化效果的关键。因此开发实用高效的汽车尾气净化催化剂是控制汽车尾气排放的最佳措施之一。
汽车尾气催化净化的目的就是将有害的CO和HC氧化为CO2和H2O，将NOx还原成N2。由于汽车尾气的化学成分很复杂，其转化率除和催化剂的活性有关外，还和反应气是氧化气还是还原气有关，因此催化剂在功能上分为氧化型和还原型两部分。
氧化型催化剂主要催化CO和HC的氧化反应，有关反应如下：
    2CO+O2 2CO2
    4HC+5O2  4CO2+2H2O
    2NO+2CO 2CO2+N2
    HC+NO2 CO2+H2O
    HC+CO N2+CO2+H2O
    3NO+2NH3 2N2+3H2O
    2NH3 N2+3H2O
还原型催化剂主要催化NOx的还原反应：
    2NO+CO N2+CO2
    2NO+H2 N2+2H2O
    2NO+HC N2+H2O+CO2
    NO和H2反应除生成无毒的N2和H2O外，尚有所不希望发生的副反应：
    2NO+5H2 2NH3+H2O
    2NO+H2 N2O+2H2O
因两种反应要求的化学环境不同，故早期的催化剂将两者分立。后来由于发动机的改进，实现了可使两种功能兼容的化学环境；由于催化剂制备技术的改进，使氧化与还原两种活性中心共存于同一个催化剂上，最终出现了三效催化剂TWC(three-way catalyst)。目前最常用的
催化器是使用蜂窝型催化(honeycomb catalyst)，载体是陶瓷蜂窝体，其外附载有高比表面积的氧化铝涂层，其上再浸渍活性组分。所以，汽车尾气净化催化剂主要由载体、涂层及活性物质三部分组成。
1.1 双金属催化剂
20世纪70年代末到80年代中期，随着美国EPA提出对NOx的排放实行控制，氧化型催化剂己不能满足要求。出现了铂、铑三效双金属催化剂。20世纪70年代末至80年代初出现的是双床式铂、铑催化剂，催化剂的氧化还原反应是分段进行的，前段使用还原型蜂窝催化剂，后段使用氧化型蜂窝催化剂，两段中间补充空气。这种设置可使还原反应与氧化反应分别在有利于自身的化学气氛中进行，但该种催化器结构复杂，操作麻烦，且NOx还原后有可能重新被氧化。1980-1985年，Pt-Rh三效催化剂开始用于电喷闭环装置，将A/F控制在窗口范围内，CO、CH和NOx的转化率可达80-90﹪以上。典型催化剂的Pt-Rh总负载量为0.1-0.15﹪,Pt:Rh=5:1涂层中加入碱土和稀土元素，稳定催化剂结构并与贵金属协同产生卓越的储氧功能。但在高温时，Rh与表面涂层中的Al2O3和CeO2发生化学作用，导致催化剂在还原气氛时对NOx的还原活性下降。
1.2 三金属催化剂
20世纪80年代中期到90年代初，开始使用新一代的Pt-Rh-Pd三效催化剂。这一代催化剂相当于在一个Pd催化剂上再安置一个标准Pt-Rh催化剂。此结构中，钯在内层有更好的耐热稳定性；铑在外层更有利于NOx的还原；铂在钯铑间起积极的协调作用。故催化剂的性能有了明显改善。随着汽油质量的提高，催化剂的使用寿命也大大延长，且每升催化剂中贵金属的总量已下降到0.6-0.8g。据介绍，Engelhard开发的Tri-Metal催化剂在使用16万公里后，转化率仍可达CO 85﹪,HC 90﹪和NOx95﹪，显然可满足更高的环保要
1.3 三效钯催化剂
20世纪80年代末，福特公司推出了三效钯催化剂，这种钯催化剂要求氧化铝和稀土氧化物与过渡金属氧化物形成有机的协和体，钯在其中发挥主导作用，通过采用特殊措施使材料具有特定结构从而使高温下的活性得以稳定。实验表明，单独Pd基催化材料在1200℃的热冲击下，催化活性依然良好。目前，这种催化剂还在进一步研制之中。Englhard公司研制了一种双层Pd基催化材料。底层由Pd和Ce构成，顶层由分散于涂层上的Pd构成。两层中都添加廉价金属氧化物以产生稳定作用，并提高Pd的活性。顶层提供低温催化活性；Pd-Ce层提供高
的储氧能力以保证高温催化活性。Pd在423-823℃温度范围内对,HC、CO和NO的同时转化具有活性。
1.4 NOx存储还原型三元催化材料
这种催化材料由贵金属、碱金属或碱土金属、稀土氧化物组成。基本原理是：富氧条件下NOx首先在贵金属上被氧化，然后与NOx存储物发生反应，形成硝酸盐。在理论比或富燃状况燃烧时，硝酸盐分解形成NOx，然后NOx与CO、H2、HC反应被还原成N2。研究表明，NOx的存储能力与氧的浓度有关。氧浓度增加，NOx存储能力提高。当氧浓度达到1﹪以上时，NOx存储能力基本不变。此外，HC选择还原催化材料在富氧条件下也具有较好的催化活性。
2载体
催化活性组分要担载在高比表面的载体上,才能很好的发挥作用,载体的选择对催化剂活性有很大影响。早期的载体是以活性氧化铝、硅氧化镁、硅藻土为原料制得的颗粒物,表面积大,使用方便,但存在压力降和热容大、耐热性差、强度低和易破碎等缺点, 故80年代后逐渐被蜂
窝陶瓷载体所取代。蜂窝陶瓷载体也叫作整体载体,由许多薄壁平行小通道构成整体, 具有气流阻力小、几何表面大、无磨损等优点。堇青石载体由于热膨胀系较低,抗热冲击性突出而被广泛用作汽车尾气催化剂的载体。目前所用的汽车催化剂的载体95%为蜂窝堇青石陶瓷体,其原材易得、费用较低以及总体性能良好。另一种整体式载体是将Ni-Cr、Fe-Cr-Al或Fe-Mo-W等合金压成波纹状而制成的整体型合金载体,相比陶瓷蜂窝载体有更高的热稳定性。目前这种金属载体主要用于对汽车尾气排放要求十分严格的国家,如日、美的出口汽车上。金属载体的使用对降低汽车排气阻力十分有利,明显改善了动力性能,提高尾气净化效率,同时延长了净化器的使用寿命。
3高比表面的涂层(也叫第二载体)　
活性涂层附着于载体的表面,它的作用是提供大的表面积来附着贵金属或其它催化成分。堇青石载体的比表面较低, 一般只有1m 2 /g左右, 须涂敷一层高比表面的涂层。涂层材料通常采用γ-Al2O3,它具有很强的吸附能力和大的比表面积,但在高温条件下会发生相变,转变为α-Al2O3,比表面积降低。为了抑制Al2O3 的相变,通常加入Ce、La、Ba、Sr、Zr等稀土元素或碱土元素氧化物作为助剂。
4活性组分
尾气催化剂的活性组分可分为贵金属和非贵金属两种类型。贵金属类以Pt、Rh、Pd最为常用。Pt组分在催化剂中主要起氧化CO和HC的作用,它对NO有一定的还原能力,但CO的浓度就较高或有SO 2 存在时, 它的效果没有Rh好。Rh组分是催化还原NOx的主要成分,在有氧时,得到唯一的还原产物N2;无氧时,低温下的主要还原产物是NH3,高温下的还原产物主要为N 2。此外,Rh对CO的氧化和烃类的水蒸气重整反应也有重要作用,Rh的抗毒型较Pt差。Pd组分主要用来转化CO和烃类,对于饱和烃类效果稍差,抗Pb、S中毒能力差,易高温烧结,与铅形成合金,但它的热稳定性较高, 起燃性好。汽车尾气三效催化剂中, 各种组分的作用是相互协同进行的。非贵金属活性组分主要以过渡元素氧化物及其尖晶石、钙钛矿结构复合氧化物为活性组分。但由于单组分氧化物耐热性能差、活性低、起燃温度高,在使用上受到限制,一般采用多组分的
5.1助剂
助剂本身是一些没有催化作用或活性较低的添加物, 能大大提高催化剂的活性、选择性和寿命。CeO2 是汽车尾气净化催化剂最主要的助剂, 其主要作用有：贮存及释放氧；提高贵金
属的分散性, 抑制贵金属颗粒与Al2O3形成无活性的固溶体；提高催化剂的抗中毒能力; 增加催化剂的热稳定性等。Summers和Ausen对铈和贵金属的相互作用进行了研究,在Al2O3担载的新鲜的Pd、Pt贵金属催化剂中,增加CeO2的量,Pt的表面分散性下降；而Pd的表面分散性与CeO2的负载量无关。
5.2贫燃条件下的NOx 催化转化
贵金属三效催化剂只有在发动机的空燃比接近化学计量比(14.7/1)且使用无铅汽油时才能有效净化三种污染物CO、HC、NO x。当空燃比低于14.7时,处于富燃区,催化剂具有高还原性、低氧化性, CO和HC净化不完全；而高于14.7时处于贫燃区,尾气中氧含量较大,而CO和HC含量很低,催化剂具有高氧化性、低还原性, 不能有效还原NOx 。因此应开发贫燃条件下的新型汽车尾气净化催化剂已成为当前的研究热点,此种催化剂一旦研究成功,将在柴油发动机和贫油型汽油发动机的车辆上得到广泛应用。对已排放到大气中的NOx , 特别是大城市中峡谷式的街道和隧道等大气扩散条件较差的地带, 为了降低NOx浓度有人提出了利用TiO2光催化所具有的高氧化能力和还原能力,将TiO2 混在建筑材料中,涂在建筑物的外壁,再有O2 和H2O共存条件下,将氮氧化物变为NO 3-, 因为这种具有高活性的四配位结构的TiO2汽车尾气污染分子筛催化剂,经过注入金属离子后,TiO2催化剂能够有效的利用可见光和太阳光。
5.3开发非贵金属催化剂
贵金属三效催化剂是目前较流行的汽车尾气净化催化剂,但贵金属价格昂贵,又容易发生Pb、S、P等中毒,还可能对环境造成二次污染,如产生N2O气体,而N2O是主要的温室气体之一,因此寻新型催化材料部分或全部替代贵金属已成为必然趋势。非贵金属催化剂价格远低于贵金属,但其催化活性比贵金属低,需要制成特殊结构,而且要多种金属组分相互作用来提高活性。目前研究最多的是用稀土元素作为活性组分,但因稀土催化剂性能不及贵金属催化剂,如活性、稳定性等,故要解决很多技术问题。稀土催化剂主要有钙钛矿型、特殊的镧复合物、特殊的铈复合物、含铜镍的稀土金属和硝酸盐等；其次为过渡金属作为主要成分的催化剂, 其中CuO 、MnO2 和Co2O3 等对CO 的氧化活性较高,NiO和Cr2O3 对NOx 的还原活性较好,故制备三效催化剂必须采用复合配方。