解讀“氮吸附法比表面測(cè)定與孔徑分析”
發(fā)布者：Admin時(shí)間：2017-5-9瀏覽量：2334
對(duì)于微納米材料而言，其顆粒尺寸本來就很小，加上形狀千差萬別，比表面及孔尺寸不可能直接測(cè)量，必須借助于更小尺度的“量具”，氮吸附法就是借助于氮分子作為一個(gè)量具或標(biāo)尺，來度量粉體的表面積以及表面的孔容積，這是一個(gè)很巧妙、很科學(xué)的方法。任何粉體表面都有吸附氣體分子的能力，在液氮溫度下，在含氮的氣氛中，粉體表面會(huì)對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)生物理吸附，在回到室溫時(shí)，吸附的氮?dú)庥謺?huì)全部脫附出來。當(dāng)粉體表面吸附滿一層氮分子時(shí)，粉體的比表面積（Sg）可由下式求出：
Sg = VmNσ/22400W
式中：
Vm： 樣品表面氮?dú)獾膯螌语柡臀搅浚╩l）
N： 阿佛加德羅常數(shù)（6.024 ×1023）
σ： 每個(gè)氮分子所占的橫截面積（0.162 nm2）
W： 樣品的重量（g）
提示：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol氣體中的分子數(shù)為6.024 ×1023個(gè)；1mol氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積為22.4L或22400ml ，把N和σ的具體數(shù)據(jù)代入上式，得到氮吸附法測(cè)定比表面積的基本公式如下： Sg = 4.36Vm/W 。
然而實(shí)際的吸附并非是單層吸附，而是所謂多層吸附，通過對(duì)氣體吸附過程的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了實(shí)際的吸附量V與單層飽和吸附量Vm之間的關(guān)系符合于著名的BET方程：
P/V（Po-P）=1/CVm +（C-1）P/ CVmPo
式中：
V 單位重量樣品表面氮?dú)馕搅?/span>
Vm 單位重量樣品表面氮?dú)獾膯畏肿訉语柡臀搅?/span>
Po 在液氮溫度下氮?dú)獾娘柡驼魵鈮?/span>
P 氮?dú)夥謮?/span>
C 與材料吸附特性相關(guān)的常數(shù)
BET方程適用于氮?dú)庀鄬?duì)壓力（P／Po）在0.05 ~ 0.35 的范圍，在這個(gè)范圍中用P/V（Po-P） 對(duì) （P/Po）作圖是一條直線，而且1 /（斜率+截距）= Vm ，因此，在0'.05 ~ 0.35 的范圍中選擇3個(gè)以上不同的（P/Po），測(cè)出每一個(gè)氮分壓下的氮?dú)馕搅縑 , 并用P/V（Po-P） 對(duì) （P/Po）作圖，由圖中直線的斜率和截距求出Vm ，再求出BET比表面。在BET方程中，C是反映材料吸附特性的常數(shù)，C越大吸附能力越強(qiáng)。
用氮吸附法測(cè)定孔徑分布也是比較成熟而廣泛采用的方法，它是氮吸附法測(cè)定BET比表面的一種延伸，即利用氮?dú)獾牡葴匚教匦裕涸谝旱獪囟认碌獨(dú)庠诠腆w表面的吸附量隨氮?dú)庀鄬?duì)壓力（P/P0）而變的特性，當(dāng)P/P0在0.05 - 0.35范圍內(nèi)時(shí)符合BET方程，這是測(cè)定BET比表面積的依據(jù)；當(dāng)P/P0 ≥ 0.4時(shí)，會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，利用這一吸附特性可以測(cè)定孔徑分布。所謂毛細(xì)凝聚現(xiàn)象是指，在一個(gè)毛細(xì)孔中，若能因吸附作用形成一個(gè)凹形的液氮面，與該液面成平衡的氮?dú)鈮毫Ρ匦∮谕粶囟认缕揭好娴娘柡驼羝麎毫Γ?dāng)毛細(xì)孔直徑越小時(shí)，凹液面的曲率半徑越小，與其相平衡的氮?dú)鈮毫υ降停瑩Q句話說，當(dāng)毛細(xì)孔直徑越小時(shí)，可在較低的氮?dú)夥謮合拢纬赡垡海S著孔尺寸增加，只有在高一些的氮?dú)鈮毫ο虏拍苄纬赡垡骸ｏ@而易見，由于毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的發(fā)生，有一部分氮?dú)獗晃竭M(jìn)入微孔中并成液態(tài)，因而使得樣品表面的氮?dú)馕搅棵黠@增加，當(dāng)固體表面全部孔中都被液態(tài)吸附質(zhì)充滿時(shí)，吸附量達(dá)到最大，而且相對(duì)壓力P/P0也達(dá)到最大值1。相反的過程也是一樣的，當(dāng)吸附量達(dá)到最大（飽和）的固體樣品，降低其表面氮?dú)庀鄬?duì)壓力時(shí)，首先大孔中的凝聚液被脫附出來，隨著壓力的逐漸降低，由大到小的孔中的凝聚液逐漸被脫附出來, 因此，通過測(cè)定等溫吸附和脫附曲線，就可以逐級(jí)計(jì)算出孔徑分布、總孔體積和平均孔徑等。
