[汽车名人堂]卡尔·基思-三元催化发明人

卡尔·唐纳德·基思(Carl Donald Keith，本文以卡尔·基思表示) 是一位化学家，也是三元催化转化器的发明者。自20世纪70年代中期推出以来，三元催化转化器在减少机动车污染方面发挥了巨大作用。

卡尔·基思

一、环境问题的迫切

1920年5月29日，卡尔·基思出生于西弗吉尼亚州斯图尔特克里克，父亲霍华德是一名钢铁工人，母亲玛丽·罗森·基思在一家面包店工作。卡尔·基思于1943年获得北卡罗来纳州塞勒姆学院的学士学位，1945年获得印第安纳大学化学硕士学位，1947年获得德保罗大学博士学位。1943年，卡尔·基思加入辛克莱石油公司担任研究化学家，并于1957年开始为恩格尔哈德工业公司(Engelhard)工作。

北卡罗来纳州塞勒姆学院

二战后，汽车在欧美国家迅速普及。随之而来的是日益严重的空气污染。汽车发动机燃烧汽油产生的尾气中含有大量有害物质，主要包括：

一氧化碳(CO)：无色无味有毒气体。

碳氢化合物(HC)：未完全燃烧的燃油，是形成光化学烟雾的主要成分。

氮氧化物(NOx)：在发动机高温高压条件下产生，是导致酸雨和烟雾的元凶。

最早的应对措施是氧化催化转化器。它只能处理CO和HC，通过催化氧化反应将其转化为无害的二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)。但它无法处理NOx，并且对发动机的空燃比(空气与燃料的质量比)不敏感。更重要的是，当时汽油中普遍添加的含铅抗爆剂会使催化剂永久“中毒”失效，成为技术推广的最大障碍。

尤金·胡德里

1952年，尤金·胡德里(Eugene Houdry)注册了第一项催化转化器专利。胡德里曾担任炼油行业的机械工程师，研究如何减少烟囱的排放。他的研究最终得到了广泛的应用。然而，在尤金·胡德里那个时代，汽车主要使用含铅汽油，这使得催化转化器毫无用处。含铅汽油会将铅覆盖在催化转化器上，使其无法过滤有毒排放物。这一切在20世纪70年代，随着1970年《清洁空气法》的颁布而发生了改变。

年轻时卡尔·基思

1970年的《清洁空气法》修正案要求大幅减少碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放。要求1975年以后的所有汽车必须配备催化转化器。该法案要求所有车辆在五年内将排放量减少90%。当时可用的转化器是氧化催化剂，可以处理碳氢化合物和一氧化碳，但对减少氮氧化物无效。汽车制造商和催化剂公司试图开发一种多步骤工艺，在一个过程中处理碳氢化合物和一氧化碳，在另一个过程中减少氮氧化物。这些严格的排放控制法规还导致从车用汽油中去除抗爆剂四乙基铅，以减少空气中的铅含量。铅及其化合物会毒害催化剂，并会覆盖在催化剂表面，堵塞催化转化器。要求去除铅可以使催化转化器的使用符合法规中的其他排放标准。20世纪90年代对该法案的修订规定，自1995年起禁止销售含铅汽油，这进一步加剧了汽车制造商对催化转化器的需求。

含铅汽油

二、三元催化的发明

约翰·J·穆尼与化学家卡尔·基思以及恩格尔哈德公司的一个团队一起，改进了原来的催化转化器，它能够清除汽车尾气中的碳氢化合物和一氧化碳，但无法有效减少氮氧化物。通过创建一个可以处理这三种气体的模型，他们解决空气/燃料混合物变化的解决方案是将催化剂中的稀土氧化物和贱金属氧化物成分与铂和铑一起混合在一个陶瓷蜂窝中，蜂窝中微小的通道涂有催化材料(通常以铂、铑、钯等贵金属为活性成分)。这种设计确保了反应所需的氧气在过量时被吸收，并在需要时被释放，从而允许通过单个催化组件去除所有三种污染物。三元催化转化器将氮氧化物还原为氮气和氧气，将一氧化碳氧化为二氧化碳，并将未燃烧的碳氢化合物氧化为二氧化碳和水。1970年代初，约翰·J·穆尼与化学家卡尔·基思成功研发了第一款实用的、可大规模生产的三元催化转化器。现代三元催化器可以催化高达98%的汽车排放有毒气体。

三元催化原理图

约翰·J·穆尼与化学家卡尔·基思意识到，这三个相互竞争的化学反应要在最高效率下同步进行，必须将发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比(14.7:1)附近一个非常狭窄的窗口内(“催化窗”)。为了实现这一精确控制，罗伯特·博世公司(Robert Bosch)开发了关键的配套技术氧传感器(或称Lambda传感器)。它安装在催化器之前，实时监测尾气中的氧含量，并将信号反馈给发动机控制单元(ECU)。ECU根据这个信号动态调整喷油量，从而形成一个闭环反馈控制系统，确保空燃比始终处于最佳范围。

催化转化器内部流动的模拟

三、商业应用的推广

1976年，沃尔沃汽车首创并应用了带有氧传感器的三元催化转换器，率先将其安装在沃尔沃240系列车型上进行商业化使用，它也能减少氮氧化物(NOx)。当美国联邦排放控制法规开始要求对1981款车型严格控制NOx 时，几乎所有汽车制造商都通过三效催化转化器和相关的发动机控制系统来满足更严格的标准。虽然催化转化器最常用于汽车的排气系统，但它们也用于发电机、叉车、采矿设备、卡车、公共汽车、机车、摩托车和船舶。它们甚至用于一些木质炉灶，以控制排放。这通常是为了响应政府监管，无论是通过环境法规还是通过健康和安全法规。

第一代沃尔沃240系列车型

三元催化器问世后经过升级，能够消除汽车发动机、轻型卡车和运动型多用途车( SUV)产生的97%的尾气碳氢化合物排放、96%的一氧化碳排放和90%的氮氧化物。《纽约时报》援引美国环境保护署的一份声明称，如今汽车的氮氧化物排放量比20世纪70年代的汽车减少了98%，而“三元催化器是减少排放量的最大贡献者”。一份环境保护署的报告估计，卡尔·基思的发明帮助挽救了10万人的生命，并避免了数十万例喉咙和肺部疾病。

三元汽车催化转化器示意图

自1976年起直至1985年从恩格尔哈德工业公司(Engelhard)退休，卡尔·基思先后担任该公司的执行副总裁、总裁，最后担任董事长。2002年，卡尔·基思约翰·J·与穆尼共同荣获美国专利商标局颁发的国家技术奖章，表彰他们“对三元催化转化器的发明、汽车应用和商业化贡献。通过他们不懈的努力，这项技术已成为美国乃至全球所有新型轻型汽车的关键排放控制部件。”2003年11月6日，卡尔·基思和约翰·J·穆尼在白宫从布什总统手中接过了国家技术奖章。2008年11月9日，卡尔·基思在北卡罗来纳州新伯尔尼探望女儿时逝世，享年88岁。

2003年，卡尔·基思(左)和约翰·J·穆尼出席国家技术与创新奖章颁奖典礼

三元催化转化器是汽车工业发展史上最重要的环保发明之一。它的诞生源于严峻的环境污染压力，得益于政策的强力推动和化学、材料、电子控制技术的协同突破。通过其精妙的“三元”催化作用和与氧传感器组成的闭环控制系统，它成功地将汽车尾气中的三大有害污染物转化为无害物质，对全球范围内改善空气质量、保护公众健康起到了不可估量的作用，至今仍是汽油车排放控制系统中不可或缺的核心部件。

三元催化器剖视图

声明：

本文章为原创作品，所有内容均由本人创作、编辑及制作。未经本人许可，任何人不得擅自使用、复制或修改该文章。如有合作、转载或其他相关事宜，请与我通过欧欧汽车台后台私信与本人联系，谢谢合作。