V oblastech vědy o materiálech, katalýzy, energie a životního prostředí je specifický povrch jedním z důležitých parametrů pro měření výkonnosti materiálu. Adsorpční účinnost aktivního uhlí, aktivita katalyzátorů a schopnost elektrodových materiálů ukládat energii často úzce souvisí s jejich povrchem. V současnosti nejrozšířenější metodou měření povrchové plochy je BET testování specifické povrchové plochy. Tento článek poskytne podrobnou analýzu testování BET z několika aspektů, včetně principů, přípravy vzorků, zpracování dat a preventivních opatření.
1. PrincipBET testování
1.1 Adsorpční jev a specifický povrch
Na povrchu pevných materiálů molekuly plynu přilnou k povrchu materiálu ve formě fyzikální adsorpce a vytvoří jednu nebo více molekulárních vrstev. Když molekuly plynu dosáhnou rovnovážné adsorpce na povrchu materiálu, existuje určitý vztah mezi adsorpčním množstvím a relativním tlakem plynu. Na základě tohoto jevu byla navržena teorie BET.
1.2 Rovnice BET
Teorie BET (Brunauer Emmett Teller) byla navržena v roce 1938 a jejím jádrem je odvodit výpočetní metodu pro specifickou plochu povrchu prostřednictvím adsorpčního chování plynů na pevných površích ve více molekulárních vrstvách.
Rovnice BET je ve tvaru:
který:
(V) Adsorpční kapacita při relativním tlaku (P/Po)
(Vm): adsorpční kapacita jedné molekulární vrstvy
(P) Adsorpční tlak
(Po): Tlak nasycených par
(C) Konstantní, odrážející rozdíl mezi adsorpčním teplem a odpařovacím teplem
Po získání série adsorpčních dat prostřednictvím experimentů lze vynést lineární graf BET (obvykle se volí (P/Po) v rozsahu 0,05-0,35) a ze sklonu a průsečíku lze vypočítat Vm a C, čímž se nakonec získá specifický povrch.
1.3 Výběr plynu
Běžně používaná adsorpční média jsou:
Dusík (77 K) → Nejběžnější volba
Argonový plyn (87 K) → vhodný pro mikroporézní materiály
Oxid uhličitý (273 K) → vhodnější pro měření ultramikropórů
2、 Příprava vzorku
Testování BET vyžaduje extrémně vysokou předúpravu vzorků a nesprávná příprava může přímo vést k odchylce výsledku.
2.1 Odplyňovací úprava
Účel: Odstranit vlhkost a plynné nečistoty z povrchu vzorku, aby se zabránilo ovlivnění adsorpčních dat.
Metoda: K odplynění se běžně používá vakuum nebo vysoce čisté inertní plyny (jako je helium a dusík).
Volba teploty: Nastavte podle vlastností materiálu, obecně v rozsahu 80 ℃ -350 ℃.
Polymerní nebo organické skeletové materiály: Nízká teplota (80-120 ℃), aby se zabránilo poškození konstrukce
Anorganické oxidy a uhlíkové materiály: lze použít při vyšších teplotách (200-350 ℃)
2.2 Velikost vzorku
Obvykle je vyžadováno 50-300 mg vzorku, v závislosti na přístroji a typu materiálu. Práškové materiály by měly být rovnoměrně rozptýleny, aby se zabránilo špatnému přenosu tepla způsobenému akumulací.
2.3 Bezpečnostní opatření
Zabraňte znečištění vzduchu: Po dokončení odplynění by měl být co nejdříve přenesen na konec analýzy, aby se snížila absorpce vlhkosti.
Udržujte strukturální stabilitu: U porézních MOF a jiných materiálů by měla být teplota pečlivě kontrolována, aby se zabránilo zhroucení krystalů.
Opakovatelnost: Pokuste se co nejvíce otestovat stejnou dávku vzorků za stejných podmínek, abyste zlepšili srovnatelnost dat.
3、 Experimentální kroky testování BET
3.1 Získání adsorpčních desorpčních izoterm
Vložení zkumavky → fixováno v bazénu vzorků
Odplynění → Zajistěte čistotu povrchu
Chlazení odlučovače → kapalný dusík (77 K) nebo jiné způsoby chlazení
Postupně zvyšujte tlak → zaznamenejte adsorpční množství plynu při různých relativních tlacích
Kompletní cyklus → Získejte kompletní adsorpční desorpční izotermu
3.2 Výběr intervalu BET
Obvykle se montuje v rozmezí 0,05-0,35 P/P0
Musí splňovat kritérium konzistence BET
4、 Zpracování dat a výpočet
4.1 Výpočet adsorpční kapacity jedné molekulární vrstvy
Lineárním proložením rovnice BET lze získat sklon (k) a průsečík (b) a vypočítat následující:
4.2 Výpočet měrného povrchu
Vzhledem k ploše molekulárního průřezu plynu (molekuly dusíku jsou přibližně 0,162 nm ²), pak:
který:
(NA): Avogadrova konstanta
(σ) Plocha průřezu molekuly plynu
(m): Kvalita vzorku
4.3 Analýza adsorpčních desorpčních izoterm
Kromě specifického povrchu BET lze informace získat také z izoterm a hysterezních smyček:
Rozložení apertury: vypočteno pomocí metod BJH nebo DFT
Objem pórů: odhadnutý z adsorpční kapacity za vysokého relativního tlaku
Typ struktury pórů: I-VI izotermy a hysterezní křivky odpovídají různým strukturám pórů
5、 Typy a analýza pórových struktur
Kromě specifického povrchu může BET testování v kombinaci s BJH, DFT a dalšími metodami také poskytnout informace o distribuci velikosti pórů.
Mikropóry (<2 nm)
Mezopory (2-50 nm)
Makropóry (>50 nm)
Otvor je větší než 50 nm.
Při adsorpci dusíku obvykle vykazuje izotermu typu II a adsorpční kapacita se stále zvyšuje se zvyšujícím se tlakem.
Samotné makropóry nepřispívají příliš ke specifické ploše povrchu, ale hrají roli jako "přenosové kanály" v kompozitních porézních strukturálních materiálech, které mohou zlepšit difúzní výkon.
Clona je mezi 2-50 nm.
Vykazuje křivku IV typu v adsorpční desorpční izotermě s jasnou hysterezní smyčkou.
Široce se vyskytuje v materiálech, jako je oxid křemičitý, oxid hlinitý, mezoporézní uhlík atd.
Výhody: Výhodné pro přenos molekulové hmoty, běžně používané jako nosič katalyzátoru.
Velikost pórů menší než 2 nm, poskytuje ultra-vysoký specifický povrch.
Běžně se vyskytuje v aktivním uhlí, zeolitu, MOF atd.
Adsorpce dusíku při 77 K může být omezena difúzí a pro doplnění měření je nutná adsorpce CO 2 .
6、 Běžné problémy a bezpečnostní opatření
Nesprávný výběr intervalu BET: Příliš nízký nebo příliš vysoký relativní tlak může vést k odchylce montáže.
Nadměrné nebo nedostatečné odplynění:
Nadměrné → zhroucení struktury materiálu
Nedostatečná → Zbytkové nečistoty na povrchu, adsorpční kapacita je falešně vysoká
Nadměrná aktivita vzorku: Některé katalyzátory mohou během procesu testování interagovat s dusíkem, což vyžaduje zvláštní pozornost.
Obtížnost porovnávání výsledků: Různé laboratoře mohou používat různé podmínky předúpravy, takže při zveřejňování údajů by měla být uvedena teplota odplynění, čas a typ adsorbovaného plynu.
7、 Oblasti použití testování BET
Vývoj katalyzátoru
Čím větší je specifický povrch, tím více aktivních míst je a katalytická aktivita je obvykle vyšší.
energetické materiály
Výkonnost akumulace energie elektrodových materiálů pro lithiové baterie a kondenzátory úzce souvisí s jejich specifickým povrchem a strukturou pórů.
Adsorbenty a separační materiály
Adsorpční výkon aktivního uhlí, zeolitu, MOF atd. přímo závisí na specifickém povrchu.
environmentální řízení
Pro adsorpci a odstraňování znečišťujících látek, jako jsou VOC a ionty těžkých kovů, jsou vyžadovány materiály s vysokým specifickým povrchem.
Testování specifického povrchu BET jako klasická a praktická metoda charakterizace se v oblasti materiálové vědy používá již více než 80 let. Prostřednictvím rozumné přípravy vzorků, výběru intervalů a zpracování dat mohou výzkumníci získat přesné informace o ploše povrchu a struktuře pórů, což poskytuje solidní datovou podporu pro návrh materiálu a optimalizaci výkonu.
SAT NANO je nejlepším dodavatelemnano a mikro materiálv Číně můžeme dodat kovový prášek, karbidový prášek, oxidový prášek a tak dále, nejen dodáváme produkt, ale také dodáváme různé testovací služby, jako je SEM, BET test, pokud máte jakýkoli dotaz, neváhejte nás kontaktovat na adrese sales03@satnano.com
