日趨嚴苛的法規(guī)要求也促進了催化轉化技術的發(fā)展，以更好地控制和處理這些污染物。最初，開發(fā)出了Pt/Pd或Pt/Rh氧化催化劑來限制HC和CO的排放，后來發(fā)展出了同時轉換HC、CO和NO_x的三元催化劑（Three-way catalyst, TWC）。

1. 三元催化劑的組成

三元催化劑的主要作用是利用排氣組分自身化學特點來促進反應，通過氧化還原反應將尾氣中的CO、HC和NO_x等物質轉化為對大氣無害的二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）、氮氣（N₂），從而達到凈化的效果。目前使用最多的是貴金屬三元催化劑，其活性組分主要包含：(1)銠（Rh）——催化NO_x還原反應，在還原態(tài)時活性較高；(2)鉑（Pt）——催化CO和HC氧化反應，在氧化態(tài)時活性較高；(3)鈀（Pd）——催化CO和HC氧化反應，在氧化態(tài)時活性較高；(4)助催化劑（Ce和La等元素的氧化物）——提高以上幾種組分的活性、選擇性和穩(wěn)定性，本身對CO、HC和NO_x無催化活性或催化活性很小，例如儲氧劑、熱穩(wěn)定劑等。以上活性組份通常以納米顆粒的形式分散在蜂窩狀的金屬或陶瓷載體中，從而提升催化劑的催化效率。

2. 三元催化劑的作用原理三元催化劑在催化轉化過程中主要發(fā)生的反應包括：

(1)CO氧化反應——將CO氧化為CO₂，總反應為CO+O₂→CO₂或CO+NO_x→CO₂+N₂；

(2)HC氧化反應——將HC氧化為CO₂和H₂O，總反應為C_mH_n+O₂→CO₂+H₂O或C_mH_n+NO_x→CO₂+N₂+H₂O；

(3)NO_x還原反應——將NO_x還原為N₂，總反應為NO+CO→N₂+CO₂，NO+C_mH_n→N₂+H₂O+CO₂，NO+H₂→N₂+H₂O；

(4)儲氧劑儲/放氧反應——放氧時與還原物反應，如CeO₂+CO→Ce₂O₃+CO₂，儲氧時與氧化劑反應，如Ce₂O₃+O₂→CeO₂；

(5)其他副反應——如水煤氣反應CO+H₂O→CO₂+H₂和蒸汽重整反應CH+H₂O→H₂+CO，產(chǎn)生的H₂可以進一步將NO_x還原為N₂，對尾氣處理有利。

3. 三元催化劑的發(fā)展歷程

最早的三元催化劑以Pt和Rh為活性材料，這兩種貴金屬分散在Al₂O₃載體的表面。為了減少空燃比波動對催化性能的影響，催化劑中還加入了儲氧劑，最常見的儲氧劑為二氧化鈰（CeO₂）。如前所述，由于Ce的價態(tài)可以+4（CeO₂態(tài)）和+3（Ce2O₃態(tài)）之間相互轉化，因而可以調節(jié)尾氣中的空燃比，拓寬了催化劑的工作窗口，并且尾氣空燃比的波動幅度也會降低很多。3.3 單鈀催化劑長期以來，三種用于汽車催化劑的貴金屬價格趨勢為Rh遠超Pt和Pd。在20世紀末期，價格趨勢為Rh>>Pt>Pd，從成本角度考慮，應當盡可能避免使用價格極高的Rh。在成本因素的推動下，催化劑中的貴金屬類型由Pd/Pt/Rh變?yōu)镻d/Rh，再到Pd/Pt，最后到只含由Pd的催化劑，即單鈀催化劑。單鈀催化劑最早在1995年面世，由福特汽車公司開發(fā)，用于取代Pd/Rh型催化劑。整車排放測試表明，單鈀催化劑的性能可以與Pd/Rh型催化劑媲美，尾氣中CO、HC和NO_x的排放都顯著降低，熱穩(wěn)定性也有所提高。而在21世紀初期，貴金屬的價格發(fā)生了變化，Pd和Pt價格的逐漸變小，甚至還出現(xiàn)價格趨勢反轉的情況。截止2021年5月中旬，Rh、Pd和Pt三種貴金屬的價格約為5800元/g、600元/g和250元/g。而且Pd在化學性質上不如Pt穩(wěn)定，因此Pd/Pt型催化劑可能在價格和性能上都優(yōu)于單鈀催化劑，是汽車尾氣催化劑后續(xù)優(yōu)化的一個重要方向。