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含有微孔的多孔固体材料的比表面测定

发布日期:2021-11-16    浏览次数:49

固体多孔材料的比表面积是重要的物理参数。但是由于没有工具进行直接测量,人们就根据物理吸附的特点,以气体分子作为探针(其分子的截面积是已知的),创造一定条件,使气体分子覆盖于被测样品的整个表面(吸附),通过被吸附的分子数乘以分子截面积即作为样品的比表面积。比表面积的测量包括能够到达表面的全部气体,无论外部还是内部。物理吸附一般是弱的可逆吸附,因此固体必须被冷却到吸附质的沸点温度,并且确定一种方法从可能的单分子覆盖中计算表面积。比表面和孔径分析仪器就是创造相应条件,实现复杂计算的这样一种仪器。


 Langmuir的单分子层吸附理论第一次阐述了吸附的本质,但1938年发展的多层吸附理论(BET方程)已经成为最流行的比表面计算方法,可是BET的最初假设和应用限制被人们逐渐忽略。随着仪器分析的自动化和微孔材料研究的流行,人们将分析仪器当作测量仪器使用,导致了被仪器误导的错误结果。近年来,人们开始重新探讨和研究这些问题,对BET方程的适用范围提出了新的见解。

气体吸附过程的静态描述




1.样品的预处理:


在进行气体吸附实验之前,固体表面必须清除污染物,如水和油。表面清洁(脱气)过程,大多数情况下是将固体样品置于一玻璃样品管中,然后在真空下加热。显示了预处理后的固体颗粒表面,其含有裂纹和不同尺寸和形状的孔。                                                         


2.样品的单分子层或多层吸附:


使清洁后的样品处于恒温状态。然后,使少量的气体(吸附质)逐步进入被抽真空的样品管。进入样品管的吸附质分子很快便到达固体样品(即吸附剂)上每一个孔的表面,即被吸附。通过被吸附分子与表面间的相互作用力的大小可以判定吸附过程本质上是物理吸附(作用力弱)还是化学吸附(作用力强)。


物理吸附是最普通的一种吸附类型,被吸附的分子可以相对自由地在样品表面移动。随着越来越多的气体分子被导入体系,吸附质会在整个吸附剂表面形成一个薄层。根据Langmuir 和BET 理论,假设被吸附分子为单分子层,我们可以估算出覆盖整个吸附剂表面所需的分子数Nm。被吸附分子数Nm 与吸附质分子的横截面积的乘积即为样品的表面积。


3.毛细管凝聚过程:


如果样品含有介孔,继续增加气体分子的通入量会导致多层吸附。持续地多层吸附伴随着毛细管凝聚过程(见图4)。毛细管凝聚是在孔道中的被吸附气体随分压比增高而转化为液体的过程,描述这一过程的经典方程是开尔文方程。该方程量化了平衡气体压力与可以凝聚气体的毛细管尺寸的比例。利用Barrett, Joyner and Halenda (BJH) 法等计算方法可以根据平衡气体压力计算孔径。所以我们可以做出被吸附气体的体积与相对压力之间的实验曲线(即等温线),再对其进行转换,就可以得到累积的或微分孔径分布图。


4.完全的孔填充:


随着吸附质平衡压力趋于饱和,孔就被吸附质完全填充。如果知道吸附质的密度,就可以计算出其所占的体积,因而就可以相应地计算出样品的总孔体积。如果此时我们将吸附过程逆向进行,从体系中逐步减少气体量,还可以得到脱附等温线。由于吸附和脱附机理不同,吸附和脱附等温线很少能够重叠。等温线的迟滞现象与固体颗粒的孔形有关。


用iPore 400全自动比表面和孔径分析仪评估微孔材料的比表面


     理化联科(PhysiChem Instruments)生产的iPore400系列全自动比表面和孔径分析仪是微孔固体材料比表面分析的有效工具。它不仅可以同时分析6个样品,而且作为新一代物理吸附分析仪,仪器真空度高,压力传感器精度更是大幅度提高,可以有效地测量微孔材料的比表面积,并且氮吸附微孔分布分析低至0.7nm。



根据长期的实践经验,建议比表面测定时,按如下范围取值计算: 


•介孔材料:常规比表面P/P₀ 0.05-0.3之间5点


•微孔材料:比表面P/P₀ 0.005-0.05之间8点


•微孔和介孔材料:比表面P/P₀ 0.01-0.2之间8点


常规的比表面分析仪由于一般采用低成本真空泵和压力传感器,在P/P₀ 0.05以下很难增设压力点。这样不仅微孔孔径分析无从谈起,而且微孔样品的BET正确分析也存在较大困难。对于iPore 系列不存在任何设定难题,压力点设置可从P/P₀ 1x10-⁵开始。


由于人们越来越忽略化学和表面几何的各向异性问题,BET方程非常流行。因此,孔隙度类型(微孔,中孔或大孔)在BET方程应用中扮演了越来越重要的角色。所以,由微孔固体材料吸附等温线上BET法得到的表面积不能反映真实的内部表面积,但可以考虑作为一种“表征”或“等效BET表面积”。


由于微孔填充的单层-多层吸附通常程完成于P/P₀ < 0.1,我们必须根据实际得到的吸附等温线分析调整BET计算的取点范围。在所有情况下,必须保证BET图形的线性(回归系数>0.9999)。


微孔样品多点BET计算的线性范围确定:


1、C常数必须是正值(任何负值都超出了BET方程的应用范围之外);


2、保证BET图线性回归系数优于0.9999.


删除单点BET峰值后的压力点或进入Rouquerol 建议的流程


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