如何利用气体吸附原理分析比表面?
固体多孔材料的单位重量的表面积(即比表面积)是重要的物理参数。真实表面包括不规则的表面和孔的内部表面。 它们的面积无法从颗粒大小的信息中计算出来,但却可以通过在原子水平上吸附某种不活动的或惰性气体来确定。 气体的吸附量,不仅仅是暴露表面总量的函数,还是(i)温度,(ii)气体压力,以及(iii)气体和固体之间发生反应强度的函数。因为多数气体和固体之间相互作用微弱,为使其发生相当的吸附,使其吸附量足以覆盖整个表面,必须将表面充分冷却到气体的沸点温度。随着气体压力的提高,表面吸附量会以一种非线型方式增加。但是,当气体以一个原子厚度全部覆盖表面后(单分子层气体),对冷气体的吸附并没有停止!随着相对压力的提高,超量的气体被吸附从而构成“多分子层”,进而可能进一步液化而填满整个孔道。
为了达到上述目的,首先要把样品进行真空脱气,对样品表面进行清洁;如果用氮气作为分子探针(尺子),需要随后将样品连同样品管称重后放入液氮中(-273 ),有控制地通入已由压力传感器计量的氨气,记录样品的吸附量。该过程相当复杂和漫长。在取得不同压力下样品饱和吸附量的数据后,再通过由样品性质决定的经验公式(模型)计算出所需要的结果。
打一个不完全恰当的比方:要测量一间屋子的面积,但是除了有许多篮球并没有合适的尺子
而篮球的直径和截面积是已知的。于是,在测量屋子的面积之前,首先要将屋子中放置的家具搬出去,然后往屋里扔篮球,扔进来的数目是可以控制并计算出来的,等篮球铺满了屋子,我们将篮球的截面积乘以扔进来的篮球数就能估算出该房间的面积。同理,接着扔篮球,直至这个房间都被篮球充满直到房顶,我们就能推断出这个房间的空间大小。物理吸附仪就是为了实现这整个过程而设计的。
BET就是比表面吗?计算比表面积的方法有多少种?
BET法只是比表面分析方法中的一种理论。
Langmuir第一次揭示了吸附的本质,其方法是单分子层吸附理论,适合于仅有微孔的样品分析。
BET理论发表于1938年,其正式名称是多分子层吸附理论,是对Langmuir理论修正。BET是该理论的三个提出者姓氏的首字母缩写。由于BET法适合大部分样品,目前成为最流行的比表面分析方法。但BET法并不适用于所有样品,因此按介孔材料的分析方法分析微孔材料时,由物理吸附分析仪自动生成的BET比表面值是错误的。ISO9277-2010和IUPAC都对含微孔材料的BET比表面分析方法及判断BET结果的方法做出了规定。
不同的理论模型给出的计算结果是不同的,所以要根据理论模型的假设条件,选择最适合样品性质的理论模型。大多数理论模型是根据发明人的名字或缩写命名的,能计算出比表面的理论模型包括LangmuirBETBJH,DR和NLDFT。
NLDFT是非定域密度泛理论。研究表明,NLDFT计算出的比表面值最接近真实值,并且该理论适用于微孔和介孔材料。
比表面和孔径分析为什么常用氮气?用其它气体可以吗?
如前所述,气体分子是作为吸附探针来分析比表面的,所以它应该满足以下应用条件:1)气体分子相对性,保证不与吸附剂发生化学作用;
2)为了使足够气体吸附到固体表面,测量时固体必须冷却,通常冷却到吸附气体的沸点,因此要求冷却剂相对容易得到;
3)符合或满足理想气体方程的使用条件。
在恒定低温下测量气体的吸附和脱附曲线,所使用的气体是那些在固体表面形成物理吸附的气体,尤其是在77.4K时的氮气、77.4K或87.3K时的氩气、或195K和273.15K时的二氧化碳。因为氮气非常便宜,所以作为被吸附物质得到广泛应用。由于气体分子尺寸各异,可以进入的孔也各不相同,因此测量温度不同,得出的结果可能不同。
由于气不是完全的惰性气体,与孔壁可以发生四极矩作用,IUPAC于2015年正式建议,氮气不适合微孔样品的分析,应该采用87K下的氩气作为吸附气体。
比表面和孔径分析为什么要用液氮?不用可以吗?
如果用氮气作为被吸附气体,固体样品在分析时就需要被冷却到液氮的沸点温度(77.35K)。液氮是相对容易得到的价格低廉的实验材料,因此,我们要用液氮获取样品所需要的温度。但需要注意的是,只有纯的液氮才能达到这个温度,而不纯的液氮因温度偏高会造成计算误差,不能使用。另外,暴露于空气中的液氮会冷凝空气,造成液氮纯度下降。所以,实验后剩余的液氮应弃之不用,而不能倒回液氮储罐从而造成贮存液氮的纯度下降。
如果不使用液氮,我们可以采用机械制冷的方式使样品端处于77.35K。目前,商用 Cryocooler低温恒温系统可在20K到320K之间设置样品分析温度,极大地方便了实验设计。
如何判断液氮不纯?
因为氮气占空气中的比例为78%,其饱和蒸汽压约为大气压加10。出现以下情况,说明液氮明显不纯:
(1)环境大气压为760mmHg,但测出的氮气饱和蒸汽压大于790mmHg;
(2)液氮颜色发蓝,说明其中含有液氧;
(3)测出的氮气饱和蒸汽压为750mmHg,但环境大气压仅有(4)700mmHg,与当时的大气压比明显偏高;
(5)仪器的液位传感器“失灵”探测不到液位。这说明液位温度可能高于传感器设置的温度响应范围;
分析过程中线性很好,但偏离常规值很多。