Inden for materialevidenskab, katalyse, energi og miljø er det specifikke overfladeareal en af de vigtige parametre for måling af materialeydeevne. Adsorptionseffektiviteten af aktivt kul, aktiviteten af katalysatorer og elektrodematerialernes energilagringsevne er ofte tæt forbundet med deres overfladeareal. Den mest udbredte metode til måling af overfladeareal i øjeblikket er BET-specifik overfladearealtestning. Denne artikel vil give en detaljeret analyse af BET-test fra flere aspekter, herunder principper, prøveforberedelse, databehandling og forholdsregler.
1、 Princippet omBET test
1.1 Adsorptionsfænomen og specifikt overfladeareal
På overfladen af faste materialer vil gasmolekyler klæbe til materialeoverfladen i form af fysisk adsorption, der danner enkelte eller flere molekylære lag. Når gasmolekyler når ligevægtsadsorption på materialeoverfladen, er der et vist forhold mellem adsorptionsmængden og gassens relative tryk. BET-teorien blev foreslået baseret på dette fænomen.
1.2 BET-ligning
BET-teorien (Brunauer Emmett Teller) blev foreslået i 1938, og dens kerne er at udlede en beregningsmetode for specifikt overfladeareal gennem adsorptionsadfærden af flere molekyler af gasser på faste overflader.
BET-ligningen er i form af:
hvilke:
(V) Adsorptionskapacitet under relativt tryk (P/Po)
(Vm): Enkelt molekylært lags adsorptionskapacitet
(P) Adsorptionstryk
(Po): Mættet damptryk
(C) Konstant, hvilket afspejler forskellen mellem adsorptionsvarme og fordampningsvarme
Efter at have opnået en række adsorptionsdata gennem eksperimenter, kan en BET lineær graf plottes (normalt udvælgelse (P/Po) i området 0,05-0,35), og Vm og C kan beregnes ud fra hældningen og skæringen, hvilket i sidste ende opnår det specifikke overfladeareal.
1.3 Gasvalg
De almindeligt anvendte adsorptionsmedier er:
Nitrogen (77 K) → Mest almindelige valg
Argongas (87 K) → velegnet til mikroporøse materialer
Kuldioxid (273 K) → mere velegnet til ultramikroporemåling
2、 Prøveforberedelse
BET-test kræver ekstrem høj forbehandling af prøver, og ukorrekt forberedelse kan direkte føre til resultatafvigelse.
2.1 Afgasningsbehandling
Formål: At fjerne fugt og urenhedsgasser fra overfladen af prøven for at undgå at påvirke adsorptionsdataene.
Metode: Vakuum eller inerte gasser med høj renhed (såsom helium og nitrogen) bruges almindeligvis til afgasning.
Temperaturvalg: Indstil i henhold til materialeegenskaberne, generelt inden for området 80 ℃ -350 ℃.
Polymer eller organisk skeletmaterialer: Lav temperatur (80-120 ℃) for at undgå strukturelle skader
Uorganiske oxider og kulstofmaterialer: kan bruges ved højere temperaturer (200-350 ℃)
2.2 Prøvestørrelse
Normalt kræves 50-300 mg prøve, afhængigt af instrument og materialetype. Pulvermaterialer bør fordeles jævnt for at undgå dårlig varmeoverførsel forårsaget af akkumulering.
2.3 Forholdsregler
Undgå luftforurening: Når afgasningen er afsluttet, skal den overføres til analyseenden så hurtigt som muligt for at reducere fugtoptagelsen.
Oprethold strukturel stabilitet: For porøse MOF'er og andre materialer bør temperaturen kontrolleres omhyggeligt for at undgå krystalsammenbrud.
Repeterbarhed: Prøv at teste den samme batch af prøver under de samme forhold så meget som muligt for at forbedre datasammenligneligheden.
3、 BET-testning af eksperimentelle trin
3.1 Opnåelse af adsorptionsdesorptionsisotermer
Indlæsning af prøverør → fastgjort i prøvepuljen
Afgasningsbehandling → Sørg for at overfladen er ren
Kuldefældekøling → flydende nitrogen (77 K) eller andre kølemetoder
Øg gradvist trykket → optag gasadsorptionsmængden under forskellige relative tryk
Komplet cyklus → Opnå fuldstændig adsorptionsdesorptionsisoterm
3.2 INDSATS-intervalvalg
Normalt monteret i området 0,05-0,35 P/P0
Skal opfylde BET-konsistenskriteriet
4、 Databehandling og beregning
4.1 Beregning af enkelt molekylært lags adsorptionskapacitet
Ved at tilpasse BET-ligningen lineært kan hældningen (k) og skæringspunktet (b) opnås, og følgende kan beregnes:
4.2 Beregning af specifikt overfladeareal
Givet det molekylære tværsnitsareal af en gas (nitrogenmolekyler er ca. 0,162 nm ²), så:
hvilke:
(NA): Avogadros konstant
(σ) Gasmolekylets tværsnitsareal
(m) : Prøvekvalitet
4.3 Analyse af adsorptionsdesorptionsisotermer
Ud over BET-specifikke overfladearealer kan information også opnås fra isotermer og hysterese-sløjfer:
Blændefordeling: beregnet ved hjælp af BJH- eller DFT-metoder
Porevolumen: estimeret ud fra adsorptionskapaciteten under højt relativt tryk
Type af porestruktur: I-VI isotermer og hysteresekurver svarer til forskellige porestrukturer
5、 Typer og analyse af porestrukturer
Ud over specifikke overfladearealer kan BET-test kombineret med BJH, DFT og andre metoder også give oplysninger om porestørrelsesfordeling.
Mikroporer (<2 nm)
Mesoporer (2-50 nm)
Makroporer (>50 nm)
Blænden er større end 50 nm.
Ved nitrogenadsorption udviser det normalt en type II isoterm, og adsorptionskapaciteten fortsætter med at stige med stigende tryk.
Makroporer i sig selv bidrager ikke meget til det specifikke overfladeareal, men de spiller en rolle som "transmissionskanaler" i kompositporøse strukturelle materialer, hvilket kan forbedre diffusionsydelsen.
Blænden er mellem 2-50 nm.
Den udviser en IV-type kurve i adsorptionsdesorptionsisotermen med en klar hystereseløkke.
Udbredt til stede i materialer som silica, aluminiumoxid, mesoporøst kulstof osv.
Fordele: Fordelagtig til molekylær masseoverførsel, almindeligvis brugt som katalysatorbærer.
Porestørrelse mindre end 2 nm, giver ultrahøjt specifikt overfladeareal.
Findes almindeligvis i aktivt kul, zeolit, MOF'er osv.
Adsorptionen af nitrogen ved 77 K kan være begrænset af diffusion, og CO 2 -adsorption er nødvendig for at supplere målingen.
6、 Almindelige problemer og forholdsregler
Forkert valg af BET-interval: For lavt eller for højt relativ tryk kan føre til tilpasningsafvigelse.
Overdreven eller utilstrækkelig afgasning:
Overdreven → sammenbrud af materialestruktur
Utilstrækkelig → Overfladeresterende urenheder, adsorptionskapaciteten er falsk høj
Overdreven prøveaktivitet: Nogle katalysatorer kan interagere med nitrogen under testprocessen, hvilket kræver særlig opmærksomhed.
Svært ved at sammenligne resultater: Forskellige laboratorier kan bruge forskellige forbehandlingsbetingelser, så ved offentliggørelse af data bør afgasningstemperaturen, tiden og den adsorberede gastype angives.
7、 Anvendelsesområder for BET-test
Katalysator udvikling
Jo større det specifikke overfladeareal er, jo flere aktive steder er der, og den katalytiske aktivitet er normalt højere.
energimaterialer
Energilagringsydelsen af elektrodematerialer til lithiumbatterier og kondensatorer er tæt forbundet med deres specifikke overfladeareal og porestruktur.
Adsorbenter og separationsmaterialer
Adsorptionsevnen for aktivt kul, zeolit, MOF'er osv. afhænger direkte af det specifikke overfladeareal.
miljøstyring
Materialer med højt specifikt overfladeareal er påkrævet til adsorption og fjernelse af forurenende stoffer som VOC'er og tungmetalioner.
BET-specifik overfladearealtestning, som en klassisk og praktisk karakteriseringsmetode, er blevet anvendt inden for materialevidenskab i over 80 år. Gennem rimelig prøveforberedelse, intervaludvælgelse og databehandling kan forskere opnå nøjagtige oplysninger om overfladeareal og porestruktur, hvilket giver solid dataunderstøttelse til materialedesign og ydeevneoptimering.
SAT NANO er den bedste leverandør afnano- og mikromaterialei Kina kan vi levere metalpulver, carbidpulver, oxidpulver og så videre, vi leverer ikke kun produkter, men leverer også forskellige testtjenester som SEM, BET-test, hvis du har nogen forespørgsel, er du velkommen til at kontakte os på sales03@satnano.com
