2022年2022年关于氮气等温吸脱附计算比表面积、孔径分布的若干说明 .pdf

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1、目的： 是让大家对氮气等温吸脱附有一个基本的理解和概念，不会讲太多源头理论，内容不多，力求简明实用。 本人有幸接触吸脱附知识的理论和实践，做个总结一是长久以来的心愿，二则更希望能和大家共同学习、探讨和提高。 由于内容是自己的总结和认识，很可能会有部分错误，希望大家能给予建议、批评和指导，好对内容做进一步的完善。注意我们拿到的数据，只有吸脱附曲线是真实的，比表面积、 孔径分布、孔容之类的都是带有主观人为色彩的数据。经常听到有同学说去做个BET，其实做的不是BET ，是氮气等温吸脱附曲线， BET（Brunauer-Emmet-Teller ）只是对 N2-Sorption isotherm 中

2、p/p0=0.050.35 之间的一小段用传说中的BET 公式处理了一下，得到单层吸附量数据Vm，然后据此算出比表面积，如此而已。六类吸附等温线类型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 几乎每本类似参考书都会提到，前五种是BDDT(Brunauer-Deming-Deming-Teller)分类，先由此四人将大量等温线归为五类，阶梯状的第六类为Sing 增加。每一种类型都会有一套说法，其实可以这么理解，以相对压力为X

3、轴，氮气吸附量为Y 轴，再将X 轴相对压力粗略地分为低压（0.0-0.1） 、中压 (0.3-0.8)、高压（ 0.90-1.0）三段。那么吸附曲线在：低压端偏Y 轴则说明材料与氮有较强作用力(?型， ?型，型 )，较多微孔存在时由于微孔内强吸附势，吸附曲线起始时呈?型；低压端偏X 轴说明与材料作用力弱(? 型，型 )。中压端多为氮气在材料孔道内的冷凝积聚，介孔分析就来源于这段数据，包括样品粒子堆积产生的孔，有序或梯度的介孔范围内孔道。BJH 方法就是基于这一段得出的孔径数据；高压段可粗略地看出粒子堆积程度，如?型中如最后上扬，则粒子未必均匀。平常得到的总孔容通常是取相对压力为0.99 左右时

4、氮气吸附量的冷凝值。几个常数 液氮温度77K 时液氮六方密堆积氮分子横截面积0.162 平方纳米，形成单分子层铺展时认为单分子层厚度为0.354nm 标况（ STP）下 1mL 氮气凝聚后（假定凝聚密度不变）体积为0.001547mL 例：如下面吸脱附图中吸附曲线p/p0 最大时氮气吸附量约为400 mL，则可知总孔容400*0.001547 400/654约 0.61mL STP 每 mL 氮气分子铺成单分子层占用面积4.354 平方米例： BET 方法得到的比表面积则是S/(平方米每克 )4.354*Vm ，其中 Vm 由 BET 方法处理可知 Vm=1/( 斜率截距 ) 以 SBA-15

5、 分子筛的吸附等温线为例加以说明名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 此等温线属IUPAC 分类中的IV 型， H1 滞后环。从图中可看出，在低压段吸附量平缓增加，此时N2 分子以单层到多层吸附在介孔的内表面，对有序介孔材料用BET 方法计算比表面积时取相对压力p/p0 = 0.100.29 比较适合。在p/p0 =0.50.8 左右吸附量有一突增。该段的位置反映了样品孔径的大小，其变化宽窄可作为衡量中孔均一性的根据。

6、在更高p/p0 时有时会有第三段上升，可以反映出样品中大孔或粒子堆积孔情况。由 N2-吸脱附等温线 可 以 测 定 其 比 表 面 积 、 孔 容 和 孔 径 分 布 。 对 其 比 表 面 积 的 分 析 一 般 采 用BET（Brunauer-Emmett-Teller ）方法。孔径分布通常采用BJH（Barrett-Joiner- Halenda ）模型。滞后环名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 滞后环的产生原

7、因这是由于毛细管凝聚作用使N2 分子在低于常压下冷凝填充了介孔孔道，由于开始发生毛细凝结时是在孔壁上的环状吸附膜液面上进行，而脱附是从孔口的球形弯月液面开始，从而吸脱附等温线不相重合，往往形成一个滞后环。还有另外一种说法是吸附时液氮进入孔道与材料之间接触角是前进角，脱附时是后退角，这两个角度不同导致使用Kelvin方程时出现差异。当然有可能是二者的共同作用，个人倾向于认同前者，至少直觉上（玄乎？）前者说得通些。滞后环的种类滞后环的特征对应于特定的孔结构信息，分析这个比较考验对Kelvin 方程的理解。H1 是均匀孔模型，可视为直筒孔便于理解。但有些同学在解谱时会说由H1 型滞后环可知 SBA-

8、15 具有有序六方介孔结构，这是错误的说法。H1 型滞后环可以看出有序介孔，但是否是六方、四方、三角就不知道了，六方是小角XRD 看出来的东西，这是明显的张冠李戴；H2 比较难解释，一般认为是多孔吸附质或均匀粒子堆积孔造成的，多认为是“ ink 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - bottle” ，等小孔径瓶颈中的液氮脱附后，束缚于瓶中的液氮气体会骤然逸出；H3 与 H4 相比高压端吸附量大，认为是片状粒子堆积形成的

9、狭缝孔；H4 也是狭缝孔，区别于粒子堆集，是一些类似由层状结构产生的孔。中压部分有较大吸附量但不产生滞后环的情况在相对压力为0.2-0.3 左右时，根据Kelvin 方程可知孔半径是很小，有效孔半径只有几个吸附质分子大小，不会出现毛细管凝聚现象，吸脱附等温线重合，MCM-41 孔径为2、3个 nm 时有序介孔吸脱附并不出现滞后环。介孔分析通常采用的都是BJH 模型（ Barrett-Joiner- Halenda ） ，是 Kelvin 方程在圆筒模型中的应用，适用于介孔范围，所得结果比实际偏小。针对 MCM-41 、SBA-15 孔结构分析的具更高精度的KJS（Kruk-Jaroniec-S

10、ayari ）及其修正方法， KJS 出来时用高度有序的MCM41 为材料进行孔分析，结合XRD 结果，得出了比 BJH 有更高精度的KJS 方程，适用孔径分析范围在2-6.5nm 之间。后来又做了推广，使之有较大的适用范围，可用于SBA-15 孔结构 (4.6-30nm)的表征。关于 t-Plot 和s 方法是对整条吸附或脱附曲线的处理方法，t-Plot 可理解为thickness 图形法，以氮气吸附量对单分子层吸附量作图，凝聚时形成的吸附膜平均厚度是平均吸附层数乘以单分子层厚度(0.354nm)，比表面积 0.162*单分子层吸附量* 阿伏加德罗常数。样品为无孔材料时，t-Plot是一条过

11、原点直线，当试样中含有微孔，介孔，大孔时，直线就会变成几段折线，需要分别分析。 s 方法中的下标是standard 的意思， Sing 提出用相对压力为0.4 时的吸附量代替单分子层吸附量， 再去作图，用这种方法先要指定一个标准，或是在仪器上做一个标样，处理方法和图形解释两种方法是类似的。两则之间可以相互转化，t=0.538s 微孔分析含微孔材料的微孔分析对真空度，控制系统， 温度传感器有不同的要求，测试时间也比较长， 时间可能是普通样品的十倍甚至二十倍。由于微孔尺寸和探针分子大小相差有限，部分微孔探针分子尚不能进入，解析方法要根据不同的样品来定，需要时可借鉴相关文献方法来参考， 再则自己做一

12、批样品采用的是一种分析方法，结果的趋势多半是正确的。现在用一种模型来分析所有范围的孔径分布还是有些困难，非线性密度泛涵理论（NLDFT ）听说是可以，但论文中采用的较少。送样提醒明确测试目的： 比表面积和孔结构对活性中心分布，反应物产物停留产生影响，因焙烧名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 温度等处理导致比表面不同等情况，不要没事随便做个比表面的孔分布看看。基本上以做实验时所用的状态为准，烘干送样，要说明样品种类，大

13、约比表面积， 一般要提供够100 平方米表面积的样品(如活性炭比表面一般是700 左右， 则提供 0.2g 足够 )。如果平时所用催化剂是成型后再做反应，则成型后送样， 这样结果比较客观。分子筛样品一般不用成型，特别是介孔分子筛成型时则不能用较大压力，否则辛辛苦苦做出来可能毁于一压。论坛相关帖子，谢谢各位！【原创】我所理解的BJH http:/ 【求助】请教吸附滞后环的问题http:/ 【求助】催化剂的比表面积以及孔体积与其粒径存在必然关系吗？http:/ 【求助】 N2 脱吸附曲线滞后环不闭合的原因http:/ 请教 :关于孔分布吸附-脱附的滞后环http:/ 【求助】 N2 吸脱附曲线中如

14、何分别计算微孔面积和介孔面积呢http:/ 【求助】孔径分布曲线怎么得到？http:/ 【资源】催化剂比表面和孔结构的相关分析http:/ 【资源】关于催化剂比表面测试的方法简介http:/ 列一些参考资料书目，有兴趣可找一下看看：1.刘维桥孙桂大固体催化剂实用研究方法中国石化出版社2.刘振宇等，多孔炭的纳米结构及其解析，化学进展，2001，13（1）3.近藤精一，石川达雄，安部郁夫著. 李国希译 .吸附科学北京化学工业出版社， 2005 4.陈诵英孙予罕丁云杰周仁贤罗孟飞吸附与催化河南科学技术出版社，2001 5. Gregg,S.J., Sing,K.S.W. 吸附、比表面与孔隙率化学工业

15、出版社，1989 6.Thomas W. J., Crittenden B. Adsorption Technology and Design, Elsevier Science & Technology 1998 7.RuthvenD. M. Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons (1984) 8.Suzuki M., Adsorption Engineering, Elsevier (1990) 论文1.Brunauer, S., Emmett P. H.; Teller, E. Adsor

16、ption of gases in multimolecular layers . J. Am. Chem. Soc., 1938, 60：309-319 2.Barrett E. P.; Joyner L. G.; Halenda P. P. The determination of pore volume and areadistributions in porous substances: I. computations from nitrogen isotherms . J. Am.Chem. Soc., 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

17、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 1951, 73：373-380 3.Sing K, Everett D, Haul R, Moscou L, Pierotti R, Rouquerol J, Siemieniewska T. Pure Appl. Chem, 1985, 57: 603-619 4.Kruk M., Jaroniec M., Sayari A. Application of large pore MCM-41 molecular sieves to improve pore

18、 size analysis using nitrogen adsorption measurements. Langmuir, 1997, 13 ： 6267-6273 5.Jaroniec M., Solovyov L. A. Improvement of the Kruk-Jaroniec-Sayari Method for pore size analysis of ordered silicas with cylindrical mesopores. Langmuir, 2006, 22： 6757-6760 6.Dbrowski A. Adv. Colloid Interface Sci., 2001, 93: 135-224 本文来自 : 小木虫论坛http:/ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -