В области материаловедения, катализа, энергетики и окружающей среды удельная площадь поверхности является одним из важных параметров для измерения характеристик материала. Эффективность адсорбции активированного угля, активность катализаторов и способность электродных материалов накапливать энергию часто тесно связаны с площадью их поверхности. В настоящее время наиболее широко используемым методом измерения площади поверхности является измерение удельной площади поверхности по методу BET. В этой статье будет представлен подробный анализ БЭТ-тестирования с нескольких аспектов, включая принципы, подготовку проб, обработку данных и меры предосторожности.
1、 ПринципБЕТ-тестирование
1.1 Явление адсорбции и удельная поверхность
На поверхности твердых материалов молекулы газа прилипают к поверхности материала в форме физической адсорбции, образуя один или несколько молекулярных слоев. Когда молекулы газа достигают равновесной адсорбции на поверхности материала, существует определенная связь между величиной адсорбции и относительным давлением газа. На основе этого явления была предложена теория БЭТ.
1.2 Уравнение СТАВКИ
Теория БЭТ (Брунауэра Эммета Теллера) была предложена в 1938 году, и ее суть заключается в разработке метода расчета удельной площади поверхности на основе поведения многомолекулярной слоевой адсорбции газов на твердых поверхностях.
Уравнение БЭТ имеет вид:
который:
(V) Адсорбционная способность при относительном давлении (P/Po)
(Vm): Адсорбционная способность одного молекулярного слоя.
(P) Давление адсорбции
(Po): давление насыщенного пара.
(C) Константа, отражающая разницу между теплотой адсорбции и теплотой испарения.
После получения серии данных об адсорбции в ходе экспериментов можно построить линейный график БЭТ (обычно выбирая (P/Po) в диапазоне 0,05–0,35), а Vm и C можно рассчитать по наклону и точке пересечения, в конечном итоге получив удельную площадь поверхности.
1.3 Выбор газа
Обычно используемые адсорбционные среды:
Азот (77 К) → Самый распространенный выбор.
Газ аргон (87 К) → подходит для микропористых материалов.
Диоксид углерода (273 К) → больше подходит для измерения ультрамикропор
2、 Подготовка проб
БЭТ-тестирование требует чрезвычайно тщательной предварительной обработки образцов, а неправильная подготовка может напрямую привести к отклонению результатов.
2.1 Дегазационная обработка
Цель: удалить влагу и примесные газы с поверхности образца во избежание влияния на данные адсорбции.
Метод: Для дегазации обычно используются вакуум или инертные газы высокой чистоты (такие как гелий и азот).
Выбор температуры: устанавливается в зависимости от свойств материала, обычно в диапазоне 80 ℃ -350 ℃.
Полимерные или органические каркасные материалы: низкая температура (80–120 ℃), чтобы избежать структурных повреждений.
Неорганические оксиды и углеродные материалы: можно использовать при более высоких температурах (200-350 ℃).
2.2 Размер выборки
Обычно требуется 50–300 мг образца, в зависимости от инструмента и типа материала. Порошковые материалы должны быть равномерно диспергированы, чтобы избежать плохой теплопередачи, вызванной накоплением.
2.3 Меры предосторожности
Избегайте загрязнения воздуха: после завершения дегазации его следует как можно скорее передать в конец анализа, чтобы уменьшить поглощение влаги.
Поддерживайте структурную стабильность: для пористых MOF и других материалов следует тщательно контролировать температуру, чтобы избежать разрушения кристаллов.
Повторяемость: постарайтесь протестировать одну и ту же партию образцов в одинаковых условиях, насколько это возможно, чтобы улучшить сопоставимость данных.
3、Экспериментальные этапы BET-тестирования
3.1. Получение изотерм адсорбции-десорбции
Загрузка пробирки для проб → зафиксировано в пуле проб
Дегазационная обработка → Обеспечить чистоту поверхности
Охлаждение холодной ловушкой → жидкий азот (77 К) или другие методы охлаждения.
Постепенно увеличивайте давление → запишите величину адсорбции газа при различных относительных давлениях.
Полный цикл → Получить полную изотерму адсорбции-десорбции.
3.2 Выбор интервала ставок
Обычно устанавливается в диапазоне 0,05–0,35 P/P0.
Должен соответствовать критерию согласованности BET
4、 Обработка данных и вычисления.
4.1 Расчет адсорбционной способности одиночного молекулярного слоя
Путем линейной аппроксимации уравнения БЭТ можно получить наклон (k) и точку пересечения (b), а также рассчитать следующее:
4.2 Расчет удельной площади поверхности
Учитывая площадь поперечного сечения молекул газа (молекулы азота примерно 0,162 нм²), тогда:
который:
(NA): постоянная Авогадро
(σ) Площадь поперечного сечения молекулы газа
(м) : Качество образца
4.3 Анализ изотерм адсорбции-десорбции
Помимо удельной площади поверхности по БЭТ, информацию можно также получить из изотерм и петель гистерезиса:
Распределение апертуры: рассчитывается с использованием методов BJH или DFT.
Объем пор: оценивается по адсорбционной способности при высоком относительном давлении.
Тип структуры пор: изотермы I-VI и кривые гистерезиса соответствуют разным структурам пор.
5、 Типы и анализ поровых структур.
В дополнение к удельной площади поверхности, тестирование БЭТ в сочетании с BJH, DFT и другими методами также может предоставить информацию о распределении пор по размерам.
Микропоры (<2 нм)
Мезопоры (2-50 нм)
Макропоры (>50 нм)
Апертура больше 50 нм.
При адсорбции азота обычно наблюдается изотерма типа II, и адсорбционная емкость продолжает увеличиваться с увеличением давления.
Макропоры сами по себе не вносят большого вклада в удельную площадь поверхности, но они играют роль «каналов передачи» в композитных пористых конструкционных материалах, что может улучшить диффузионные характеристики.
Апертура составляет 2–50 нм.
Он демонстрирует кривую типа IV на изотерме адсорбции-десорбции с четкой петлей гистерезиса.
Широко присутствует в таких материалах, как кремнезем, оксид алюминия, мезопористый углерод и т. д.
Преимущества: Полезен для молекулярного массопереноса, обычно используется в качестве носителя катализатора.
Размер пор менее 2 нм, что обеспечивает сверхвысокую удельную поверхность.
Обычно встречается в активированном угле, цеолите, MOF и т. д.
Адсорбция азота при 77 К может быть ограничена диффузией, и для дополнения измерения необходима адсорбция CO₂.
6、 Общие проблемы и меры предосторожности
Неправильный выбор интервала BET: слишком низкое или слишком высокое относительное давление может привести к отклонению арматуры.
Чрезмерная или недостаточная дегазация:
Чрезмерное → разрушение структуры материала
Недостаточно → Остаточные загрязнения на поверхности, адсорбционная способность ложно высокая.
Чрезмерная активность образца. Некоторые катализаторы могут взаимодействовать с азотом в процессе тестирования, что требует особого внимания.
Сложность сравнения результатов: в разных лабораториях могут использоваться разные условия предварительной обработки, поэтому при публикации данных следует указывать температуру дегазации, время и тип адсорбированного газа.
7. Области применения BET-тестирования.
Разработка катализатора
Чем больше удельная поверхность, тем больше активных центров и обычно выше каталитическая активность.
энергетические материалы
Характеристики накопления энергии электродными материалами для литиевых батарей и конденсаторов тесно связаны с их удельной поверхностью и структурой пор.
Адсорбенты и разделительные материалы
Адсорбционные характеристики активированного угля, цеолита, МОК и т.п. напрямую зависят от удельной площади поверхности.
экологическое управление
Для адсорбции и удаления загрязняющих веществ, таких как летучие органические соединения и ионы тяжелых металлов, необходимы материалы с высокой удельной поверхностью.
Исследование удельной площади поверхности БЭТ, как классический и практичный метод определения характеристик, применяется в области материаловедения уже более 80 лет. Благодаря разумной подготовке образцов, выбору интервалов и обработке данных исследователи могут получить точную информацию о площади поверхности и структуре пор, обеспечивая надежную поддержку данных для проектирования материалов и оптимизации производительности.
SAT NANO — лучший поставщикнано и микроматериалВ Китае мы можем поставлять металлический порошок, карбидный порошок, оксидный порошок и т. д. Мы не только поставляем продукцию, но также предоставляем различные услуги по тестированию, такие как SEM, BET-тест. Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу sales03@satnano.com
