Đặc tính nhường hoặc nhận ôxy của cérine được đặc trưng bằng đại lượng OSC (khả năng tích trữ oxy). CeO2 còn đóng vai trò là chất ổn định cho lớp vật liệu nền và có thể làm giảm được nhiệt độ khởi động của bộ xúc tác. Ở độ giàu ổn định, CeO2 tăng cường những phản ứng oxy hoá CO, HC và phản ứng khử NO. Còn khi hỗn hợp giàu, nó tăng cường những phản ứng với nước (WGS và phản ứng reforming hơi). Theo các chuyên gia Nhật Bản, tác dụng của CeO2 (như một đệm tích trữ ôxy) sẽ được tăng cường khi nó được phủ lên lớp wash-coat với tỉ lệ khoảng 20% khối lượng của lớp wash-coat. Điều này dẫn đến tỉ lệ chuyển hoá CO và HC tăng, cải thiện độ bền của chất xúc tác nhưng lại làm tăng nhẹ sự thất thoát của dòng khí xả. Một số phương pháp cũng đạt được khi đưa vào chất mang 7% khối lượng cérium và 7% khối lượng Lanthane.
Để phủ lớp vật liệu nền lên chất mang có thể thực hiện bằng cách nhúng chất mang vào trong dung dịch lỏng đã được chuẩn bị trước hoặc phun dung dịch này vào những rãnh của monolithe. Lượng thừa dung dịch sẽ được loại ra khỏi rãnh bằng cách thổi khí nén hoặc quay ly tâm. Tiếp đến là giai đoạn sấy khô ở 100-150oC bằng không khí nóng để tránh sự dịch chuyển của lớp wash-coat trong các rãnh. Trong trường hợp sử dụng dung dịch hydrosol, cần thêm vào hexaméthylène tétramine để hạn chế hiện tượng lún xuống trong quá trình sấy của những keo mixel có thể làm giảm bề mặt riêng BET. Ngoài ra, đối những monolithe có thành mỏng không đủ khả năng giữ dung dịch tạo lớp vật liệu nền khi tiến hành nhúng thì việc phun bổ sung sau giai đoạn sấy đầu tiên là rất cần thiết. Đối với những monolithe kim loại, sự gắn kết của lớp wash-coat rất yếu do bề mặt kim loại khá nhẵn.
2.3.1.3 Pha hoạt động
Mặc dù, đã có xu hướng sử dụng chất xúc tác là những oxyde kim loại với giá thành thấp. Nhưng cho đến nay, chỉ những xúc tác kim loại quý (Pt, Pd, Rh) là được sử dụng rộng rãi nhất và không một loại hợp chất nào có được những tính năng như chúng. Hàm lượng kim loại quý phân bố trên chất mang luôn biến đổi, khoảng 2-5g/bộ xúc tác (khoảng chừng 0,15 % trọng lượng của khối xúc tác).
Những oxyde kim loại có hoạt tính tốt là những oxyde của kim loại chuyển tiếp như Co3O4, CuO, Cr2O3, ZnO, MnO2 ở dạng riêng lẽ hoặc hỗn hợp. Nhiệt độ khởi động của chúng khoảng 100oC, cao hơn so với nhiệt độ khởi động của các kim loại quý. Hơn nữa, hoạt động riêng của chúng cũng thấp hơn dẫn đến phải sử dụng một lượng lớn hơn 2-3 lần đối với cùng tỉ lệ chuyển hoá. Tuy nhiên, trở ngại dẫn đến những oxyde kim loại không được sử dụng là do chúng thiếu tính ổn định ở nhiệt độ cao và rất nhạy cảm với lưu huỳnh.
So với oxyde kim loại, những kim loại quý có hoạt tính cao. Chúng có độ hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp và vẫn giữ được tính năng này khi nhiệt độ tăng cao. Nguyên nhân là do nó có khả năng chống lại hiện tượng thiêu kết gây giảm bề mặt riêng. Hơn nữa, khả năng chống lại sự ngộ độc bởi lưu huỳnh luôn có mặt trong nhiên liệu của kim loại quý tốt hơn những oxyde kim loại.
Bộ xúc tác oxy hoá sẽ chứa Pt hoặc Pd ở dạng riêng lẽ hoặc hỗn hợp của chúng
(không chứa Rh). Trong đó Pd được bổ sung nhiều hơn vì nó khó oxy hóa SO2 thành
SO3. Pt tăng cường cho những phản ứng oxy hoá Parafine mạnh hơn so với Pd. Khi
oxy hoá CO, Oléfine hoặc CH4 thì hoạt tính của Pd cao hơn hoạt tính của Pt còn khi oxy hoá các Aromatiques thì hoạt tính của chúng tương đương nhau. Hàm lượng kim loại trong bộ xúc tác này thấp hơn hàm lượng kim loại trong bộ xúc tác ba chức năng, thông thường khoảng 10-40g/cf. Những oxyde của kim loại chuyển tiếp (Cérine) ít được sử dụng trong bộ xúc tác này.
Phản ứng xúc tác luôn bắt đầu bằng giai đoạn hấp phụ, đối với những HC thì đây là giai đoạn quan trọng để tiến hành khử hydro và chất xúc tác tăng cường hiệu quả cho phản ứng này là Pt. Ở 600-900oC, Pt bị thiêu kết nhanh chóng trong môi trường oxy hoá, còn trong môi trường khử thì chậm hơn. Trái lại, Pd lại có khả năng chống lại khá tốt hiện tượng thiêu kết trong môi trường oxy hoá và có hiệu quả lâu dài tương đương hỗn hợp Pt-Rh nên rất thích hợp khi phủ lên lớp wash-coat.
Ngược lại, khi có mặt những chất ngộ độc (Pb, P) làm che phủ những tâm hoạt tính của chất xúc tác, Pd sẽ bị mất hoạt tính nhanh hơn Pt. Hơn nữa, Pd cho tỷ lệ
chuyển hoá NOx và CO theo độ giàu thấp hơn Pt. Do đó, trong những chất xúc tác 2
chức kim loại, Pt sẽ được dùng để hạn chế sự mất hoạt tính của xúc tác do ngộ độc. Mặc dù có những tính chất hạn chế, Pd-Rh vẫn được hướng đến sử dụng thay cho Pt- Rh do Pd có hiệu quả gần như tương tự mà giá cả lại thấp hơn so với Pt.
Trong trường hợp bộ xúc tác 3 chức năng, ngoài Pt-Pd cần thêm vào Rh để tăng cường phản ứng khử NOx thành N2. Rh có khả năng “tích trữ” O2 cao do đó nó cho phép bộ xúc tác làm việc trong khoảng dao động lớn của độ giàu. Bên cạnh đó, Rh lại ít nhạy cảm với tác dụng ức chế CO và tạo rất ít NH3 khi hỗn hợp giàu nhưng Rh rất dễ bị ngộ độc bởi Pb và P. Trong môi trường oxy hoá và nhiệt độ cao, nó bị oxy hoá thành Rh2O3 có khả năng tạo dung dịch rắn với thành phần Al2O3 của chất mang. Hơn nữa, Rh2O3 còn che phủ Pt dẫn đến làm mất hoạt tính xúc tác của Pt. Ruthénium là
chất xúc tác tốt cho phản ứng khử NO thành N2 nhưng không được sử dụng trong thực
tế do trong môi trường oxy hoá chúng tạo những oxyde bay hơi.
Để đưa kim loại quý lên bề mặt lớp vật liệu nền. Người ta sử dụng những dung dịch lỏng chlorure rhodium (RhCl3) hay acide hexachloroplatinique (H2PtCl6). Những dung dịch này sẽ cho phép nhận được kim loại trong quá trình nung.
Các phản ứng xảy ra trong hộp xúc tác khá nhạy cảm với thành phần kim loại. Tuy nhiên, hiệu quả chung của chúng phụ thuộc rất nhiều vào mức độ phân tán của kim loại trên lớp vật liệu nền (Al2O3). Hàm lượng thông thường của các kim loại là 30- 60g/cf (1-2g/l). Trong đó thành phần Pt/Pd được lựa chọn dựa trên một số yêu cầu về tính năng của bộ xúc tác: hiệu quả xúc tác ở nhiệt độ thấp, độ bền, tuổi thọ…Đối với bộ xúc tác oxy hoá tỉ lệ Pt/Pd là 2/1, còn đối với bộ xúc tác ba chức năng tỉ lệ Pt/Rh là 5/1 hoặc Pt/Pd/Rh xấp xỉ 10/4/1 (theo khối lượng).
2.3.1.4 Những chất bổ trợ xúc tác
Ngoài thành phần Al2O3 và những kim loại quý, trong bộ xúc tác của động cơ còn chứa nhiều chất bổ trợ khác như Ni, Ce, Ba, Zr, Fe, Si…Những thành phần này được thêm vào nhằm đóng các vai trò sau:
_ Tăng cường hoạt tính xúc tác. _ Ổn định chất mang.
Đặc biệt, Ni sẽ đẩy mạnh hoạt tính của Pt và Pd trong phản ứng khử NO và hạn
chế sự phát xả H2S. Nó cũng tham gia xúc tác cho phản ứng với nước của CO và đóng
vai trò như đệm oxy để giảm những dao động của độ giàu xung quanh hệ số cháy hoàn toàn lý thuyết bằng cách tự oxy hoá-khử. Tuy nhiên, Ni ít được sử dụng ở Châu Âu do tính độc hại của nó.
Fe và Ce có tác dụng tương tự như Ni nhưng ít bị mất hoạt tính bởi phản ứng với thành phần Al2O3 của lớp vật liệu nền hơn. Là được thêm vào cùng với Pd để cải thiện phản ứng khử NO và làm tăng tỉ lệ chuyển hoá các phản ứng của khí chứa nước, của quá trình reforming hơi các HC. Nguồn H2 tạo thành từ những phản ứng này sẽ giúp cho quá trình khử NO dễ dàng hơn.
Ba, Zr, Si là những chất ổn định của lớp vật liệu nền. Si cho tính ổn định tốt đối với hiện tượng thiêu kết của alumine và oxyde cérium. Quá trình đưa Rh lên chất mang ZrO2 rồi đưa vào giữa lớp γ-Al2O3 sẽ tránh được sự khuyếch tán của Rh vào trong lớp γ-Al2O3. Mục đích là ngăn cản sự tiếp xúc của Rh với các oxyde đất hiếm trong alumine có thể dẫn đến làm mất hoạt tính của Rh và làm cho chất xúc tác có khả năng chống lại sự oxy hoá ở nhiệt độ cao.
2.3.1.5 Kỹ thuật đưa xúc tác lên chất mang
Các chất hoạt động sẽ được phủ trên những bi cầu hay trên những tấm mỏng với thành phần Pt-Pd từ 0,07-0,22% trọng lượng (10-30g/cubic foot) và tỉ lệ Pt/Pd từ 1/3-15/1. Nhiều kỹ thuật tạo lớp vật liệu nền đã cho phép đưa những chất hoạt động vào một cánh hiệu quả nhất. Sau khi được phủ lớp vật liệu nền, những monolithe sẽ được phun hoặc nhúng vào trong các dung dịch muối của kim loại quý (H2PtCl6, PdCl2, Rh(NO3)3, RhCl3), dung dịch acétone chứa (n-butyl4N)Rh2(CO)2Br8 hay H2PtCl6.6H2O. Tính acide của dung dịch thấm có tác dụng quan trọng đến sự thấm sâu của chất xúc tác trên chất mang. Độ sâu này vừa phải đảm bảo sự tiếp xúc tốt của chất xúc tác với dòng khí vừa tránh bị mài mòn, ngộ độc do sự ma sát với dòng khí hay tiếp xúc với những chất gây ngộ độc (Pb, P). PtCl4 được tạo ra do phản ứng của H2PtCl6 và Al2O3 sẽ bị giữ lại trên bề mặt. Trong giai đoạn đầu tiên đưa bộ xúc tác vào động cơ, những chlorure của kim loại quý thường không bị khử và do đó hoạt tính ban đầu của chất xúc tác không tối ưu. Quá trình khử những hợp chất trên bằng những chất khử trong đường xả sẽ tạo thành Cl2 hấp phụ rất mạnh lên bộ xúc tác và làm giảm tỉ lệ
chuyển hoá của CO. Do đó, cần nâng nhiệt độ của khối xúc tác lên 500-600oC để giải hấp phụ hoàn toàn Cl2.
Để thu được Pt và Pd, những muối kim loại sẽ bị khử bằng cách cho dòng H2/H2O ở 75oC qua các rãnh của monolithe. Một kỹ thuật khác là cho dòng H2S đi qua để cố định những kim loại quý trên bề mặt dưới dạng kết tủa sulfure, những kết tủa này sau đó dễ dàng bị nhiệt phân để cho kim loại quý.
Kỹ thuật tạo đồng thời lớp vật liệu nền và phân bố những chất hoạt động cũng đã được áp dụng trong trường hợp lớp vật liệu nền được tạo từ dung dịch hydrosol. Điều này được thực hiện bằng cách trộn thêm các thành phần của chất xúc tác vào dung dịch tạo vật liệu nền. Nhược điểm của kỹ thuật này là những chất hoạt động có thể bị che phủ bởi lớp vật liệu nền.