کاتالیست ماده ­ای است كه سرعت واكنش هاي شيميايي را از طریق کاهش انرژی فعال سازی، افزايش می­دهد بدون اينكه خود در آنها شركت كند. یکی از موارد استفاده کاتالیست­ها، مبدل­های کاتالیستی می­ باشد.

مبدل­های کاتالیستی از دهۀ 70 میلادی با هدف کاهش آلودگی هوا، بر سر راه خروجی موتورهای بنزینی نصب شده اند. جدیدترین و مرسوم ­ترین نوع آنها، مبدل­های سه راهه هستند که اولین نوع آنها سال 1976 در آمریکا برای موتورهای بنزینی اجباری شد. در ایران نیز از سال 1383 نصب کاتالیست روی خودروهای سواری و وانت تولیدی اجباری شده است.

همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است علت انتخاب نام سه راهه برای این مبدل­ها آن است که برای کاهش همزمان سه نوع گاز سمی و آلایندۀ هوا شامل: مونوکسیدکربن(CO) ، هیدروکربن­های حاصل از احتراق ناقص (HC) و اکسید نیتروژن (NO_X) و تبدیل آنها به گازهای غیرسمی ، بخار آب(H₂O)، نیتروژن (N₂) و دی­ اکسید کربن (CO₂) مورداستفاده قرار می­ گیرند.

کاتالیست های سه منظوره زمانی حداکثر تبدیل هر سه آلاینده را خواهند داشت که در جریان گازهای خروجی از موتور، نسبت CO به NO_X در محدودۀ استوکیومتری باشد. نمودار زیر نشان دهندۀ محدودۀ استوکیومتری می باشد:

گازهای آلایندۀ خروجی از موتور

اصولاً گازهای خروجی از اگزوز شامل: پارافین ها، اولفین­ها، ترکیبات آروماتیک (که هرسه به عنوان هیدروکربن­ های نسوخته شناخته می­ شوند)، بخار آب، منو اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و دی اکسید کربن می­باشد که از میان آنها سه آلاینده اصلی زیانبار و خطرناک : منواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدرو کربن­ های نسوخته هستند.

به طور مثال: منو اکسید کربن که گازی است بیرنگ و بی بو، با میل ترکیـبی زیاد که از احتراق ناقـص سوخت های فسیـلی به وجود می­ آید می­تواند تا 250 بار سریعتر از اکسیژن با هموگلوبین خون ترکیب شود که اثرات آن از سردرد تا مرگ می ­باشد. از دیگر زیان­های گازهای خروجی از اگزوز می­توان به تولد نوزادهای ناقص یا انواع سرطان­های ریه و… اشاره کرد.

واکنش­های اکسایش و کاهش

با توجه به آلاینده­های موجود در گازهای خروجی از موتور، هدف تبدیل گازها از طریق واکنش اکسایش و کاهش در کاتالیست­ها به مواد کم ضرر و یا به طور عمده بی ضرر برای محیط زیست و موجودات زنده می­ باشد.

شرایط موثر بر عملکرد کاتالیست

به دلیل آنکه ECU خودروها با وجود کاتالیست کالیبره می­ شود، هر گونه تغییر در کاتالیست و یا حذف آن، اگر چه ممکن است در ابتدا موجبات شتاب بیشتر خودرو را فراهم سازد اما در نهایت منجر به کارکرد نامناسب موتور و افزایش مصرف سوخت خواهد گردید.

علاوه بر این از کاربراتور یا انژکتور در موتور انتظار می­ رود سوخت و هوا را به نسبت درستی مخلوط کند. هرگونه خطا در عملکرد کاربراتور یا انژکتور می­ تواند به طور مستقیم بر استوکیومتری واکنش در سیلندرها تأثیر گذاشته و در نتیجه سبب افزایش میزان آلاینده­ ها گردد.

مواد موجود در سوخت نیز می­ تواند به طور مستقیم بر روی میزان آلاینده­ ها و عملکرد کاتالیست تأثیر گذار باشد. به عنوان مثال گوگرد موجب مسمومیت پایدار در کاتالیست می گردد، بدین صورت که با واکنش با سطح فعال کاتالیست، مانع ایجاد واکنش تصفیه شده و کاتالیست را از کار می اندازد.

با توجه به استانداردهای اروپا (98/69/EC و 8/2002/EC) غلظت گوگرد و سرب برای سوخت بنزین مطابق جدول زیر می باشد: