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)對固體樣品進行表征。它旨在進行物理吸附和化學(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行實時和非常精確的飽和壓力監(jiān)測，并具有強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連接到個人計算機。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。一旦實驗開始，微處理器就可以通過樣品吸附速率的反饋回路來控制進樣壓力和體積，從而可以優(yōu)化采集的平衡點數(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行，以清潔活化的樣品表面，并進行可靠和可重復(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，物理吸附實驗是在很低的溫度下進行的，通常是液氮在大氣壓下的沸騰溫度。

吸附的發(fā)生是因為固有的表面能。當(dāng)材料暴露在氣體中時，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，因為氣體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，因為當(dāng)單層飽和時，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，因為系統(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，因為實驗從高真空開始，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，因為它在系統(tǒng)等待壓力平衡時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)實驗期間建立的吸附壓力范圍選擇的傳感器測量。原始實驗數(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)平衡壓力值計算，但必須在測量之前或之后空白運行(即在分析條件下使用未吸附在樣品上的惰性氣體進行分析，最常見的是使用氦氣進行死體積校準(zhǔn))。

靜態(tài)體積法非常精確，被認為是評價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，不建議這樣做，因為這種方法需要很長的分析時間，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。空隙體積之和稱為孔隙度。

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。孔隙率強烈決定了材料的重要物理性能，如耐久性、機械強度、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，以便流體可以進入。開口可進一步分為死孔或互連孔。進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。