比表面分析儀的基本操作原理

比表面分析儀基于靜態(tài)體積原理，利用氣體吸附技術(shù)對固體樣品進(jìn)行表征。它旨在進(jìn)行物理吸附和化學(xué)吸附，從而能夠確定現(xiàn)有金屬的總比表面積、孔隙率和比表面積及其在表面上的分散性。

它通過冷卻劑溫度測量進(jìn)行實(shí)時(shí)和非常精確的飽和壓力監(jiān)測，并具有強(qiáng)大的渦輪分子真空泵，以確保樣品架在預(yù)處理期間和分析開始之前的正確真空度。兩個在不同范圍內(nèi)工作的壓力傳感器連接到樣品架上，以測量平衡壓力。自動校準(zhǔn)程序和自動校準(zhǔn)變化確保以最佳分辨率和精度測量壓力。

它由不銹鋼制成，可以使用多種氣體(惰性和腐蝕性)，從而擴(kuò)大固態(tài)的研究可能性，滿足研究人員日益增長的需求。微處理器控制、監(jiān)測、分析和預(yù)處理樣品(可選擇三種溫度程序)，并通過RS232連接到個人計(jì)算機(jī)。使用該軟件，可以監(jiān)控所有儀器參數(shù)、打開/關(guān)閉閥門、更換氣體、排空管道、校準(zhǔn)壓力傳感器、執(zhí)行自動泄漏測試、樣品預(yù)處理等。一旦實(shí)驗(yàn)開始，微處理器就可以通過樣品吸附速率的反饋回路來控制進(jìn)樣壓力和體積，從而可以優(yōu)化采集的平衡點(diǎn)數(shù)量。除了待分析的樣品，可以使用不同的氣體、溫度和流動條件同時(shí)預(yù)處理另外兩個樣品。分析前的最終脫氣可以在惰性氣體流中或在非常高的真空條件下進(jìn)行，以清潔活化的樣品表面，并進(jìn)行可靠和可重復(fù)的測量。

吸附

吸附定義為氣體分子在固體材料表面附近的濃度。吸附的氣體叫吸附質(zhì)，吸附的固體叫吸附劑。吸附是一種物理現(xiàn)象，可以在任何環(huán)境條件(壓力和溫度)下發(fā)生，但只有在非常低的溫度下才能測量。因此，物理吸附實(shí)驗(yàn)是在很低的溫度下進(jìn)行的，通常是液氮在大氣壓下的沸騰溫度。

吸附的發(fā)生是因?yàn)楣逃械谋砻婺?。?dāng)材料暴露在氣體中時(shí)，固體的暴露表面和氣體分子之間會產(chǎn)生吸引力。這些力的結(jié)果以物理(或范德瓦爾斯)吸附為特征，與化學(xué)吸附相關(guān)的更強(qiáng)的化學(xué)吸引力相反。固體的表面積包括外表面和內(nèi)表面上的孔。

吸附是一種可逆現(xiàn)象，因?yàn)闅怏w分子和表面之間的鍵很弱(小于15 KJ/mol)。氣體的物理吸附被認(rèn)為是非選擇性的，因此表面根據(jù)可用的固體表面和相對壓力逐步(或逐層)填充。填充第一層可以測量材料的表面積，因?yàn)楫?dāng)單層飽和時(shí)，吸附的氣體量與樣品的整個表面積成正比。完整的吸附/解吸分析稱為吸附等溫線。六個IUPAC標(biāo)準(zhǔn)吸附等溫線如下所示，它們是不同的，因?yàn)橄到y(tǒng)顯示不同的氣/固相互作用。型等溫線是典型的微孔固體和化學(xué)吸附等溫線。第二類是細(xì)分的無孔固體。型和型是典型的蒸汽吸附(即水蒸氣吸附在疏水材料上)。VI型和V型具有由固體中孔中吸附質(zhì)的毛細(xì)凝聚引起的磁滯回線。最后，吸附在特殊碳上的氮表現(xiàn)出罕見的型階梯等溫線。

一旦獲得等溫線，許多計(jì)算模型可以應(yīng)用于吸附等溫線的不同區(qū)域，以評估比表面積(即BET、杜比寧、朗繆爾等)。)或微孔和中孔的體積和尺寸分布(即BJH、DH、HK、SF等)。).

靜態(tài)體積氣體吸附

靜態(tài)體積氣體吸附需要高真空泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在樣品上產(chǎn)生至少10 -4托的良好真空。該系統(tǒng)采用不銹鋼管和高真空配件，以確保準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)從高真空開始，并逐漸將壓力增加到吸附質(zhì)的飽和壓力。

該方法背后的原理包括將連續(xù)的已知量的吸附質(zhì)引入保持在液氮溫度(77 K)的樣品架中。注入氣體對樣品的吸附將導(dǎo)致緩慢的壓降，直到歧管中建立平衡壓力。吸附1990注射系統(tǒng)由一個校準(zhǔn)活塞組成，它可以根據(jù)吸附速率和所需的分辨率自動改變壓力和注射量。活塞法優(yōu)于其他方法，因?yàn)樗谙到y(tǒng)等待壓力平衡時(shí)不增加管匯的死體積。樣品上的小死體積使儀器對吸附的氣體量非常敏感。平衡壓力由根據(jù)實(shí)驗(yàn)期間建立的吸附壓力范圍選擇的傳感器測量。原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是平衡壓力和每一步吸附的氣體量。氣體吸收直接根據(jù)平衡壓力值計(jì)算，但必須在測量之前或之后空白運(yùn)行(即在分析條件下使用未吸附在樣品上的惰性氣體進(jìn)行分析，最常見的是使用氦氣進(jìn)行死體積校準(zhǔn))。

靜態(tài)體積法非常精確，被認(rèn)為是評價(jià)微孔和中孔面積和孔徑的非常精確的術(shù)。然而，每當(dāng)需要快速測量表面積時(shí)，不建議這樣做，因?yàn)檫@種方法需要很長的分析時(shí)間，并且需要產(chǎn)生高度精確和可靠的結(jié)果。

多孔性

許多天然的(石頭、土壤、礦物等。)和人工(催化劑、水泥、醫(yī)藥、金屬氧化物、陶瓷、碳、沸石等。)固體和粉末材料含有一定的空隙體積。它以各種形狀和大小的孔、洞和裂縫的形式分布在固體物質(zhì)中?？障扼w積之和稱為孔隙度。

天然材料孔隙度的類型和性質(zhì)取決于它們的形成(例如，巖石可以是火成巖、沉積巖或變質(zhì)巖)，而人造材料取決于它們的制造過程，這通常是可控的?？紫堵蕪?qiáng)烈決定了材料的重要物理性能，如耐久性、機(jī)械強(qiáng)度、滲透性、吸附特性等。了解孔隙結(jié)構(gòu)是表征材料和預(yù)測其行為的重要步驟。主要有兩種重要的孔隙類型：閉孔和開孔。封閉的孔隙與外表面隔離，不允許液相或氣相外部流體進(jìn)入。閉孔會影響密度、力學(xué)和熱學(xué)性能等參數(shù)。根據(jù)孔隙的性質(zhì)/大小和流體的性質(zhì)，開放的孔隙連接到外表面，以便流體可以進(jìn)入。開口可進(jìn)一步分為死孔或互連孔。進(jìn)一步分類與孔隙形狀有關(guān)，只要有可能確定。

根據(jù)孔隙度表征固體包括確定以下參數(shù)：

孔

孔徑范圍很廣。根據(jù)通道大小，氣孔可分為三類：

微孔：直徑小于2納米

中孔：直徑在2到50納米之間

大孔：直徑大于50納米

比孔容和孔隙率

可以測量多孔材料中的內(nèi)部空隙空間。通常表示為空隙體積(cc或ml)除以質(zhì)量單位(g)。

孔徑分布

它通常表示為孔體積的相對豐度，作為孔徑的函數(shù)(百分比或?qū)?shù))。

層積密度

堆積密度(或包絡(luò)密度)是通過干樣品質(zhì)量與外部樣品體積之比來計(jì)算的。

多孔性

孔隙率百分比通過將總孔隙體積與外部(外殼)樣品體積之比乘以100來表示。

比表面積

固體材料的表面積是樣品與外部環(huán)境接觸的總表面積。表示為每克干樣品的平方米數(shù)。這個參數(shù)與孔徑和孔容密切相關(guān)，即孔容越大，孔徑越小，表面積越大。表面積是由孔的內(nèi)表面積加上固體或顆粒的外表面積(在粉末的情況下)的貢獻(xiàn)得出的。只要有顯著的孔隙率，外表面積占總表面積的比例就非常小。