比表面积和孔结构测定简介

催化剂比表面积和孔结构测定ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪-----美国麦克公司ASAP2020系列全自动快速比表面积及中孔/微孔分析仪，可同时进行一个样品的分析和两个样品的制备，仪器的操作软件为先进的“Windows”软件，仪器可进行单点、多点BET比表面积、Langmuir比表面积、BJH中孔、孔分布、孔大小及总孔体积和面积、密度函数理论（DFT）、吸附热及平均孔大小等的多种数据分析.仪器的工作原理为等温物理吸附的静态容量法。仪器介绍1.单点、多点BET比表面积2.Langmuir比表面积3.BJH中孔、孔分布、孔大小及总孔体积和面积4.标准配置密度函数理论（DFT/NLDFT）,DA,DR,HK,MP等微孔分析方法。5.吸附热及平均孔径，总孔体积。6.提供了测定H2气体绝对压力的吸附等温线，增强了在燃料电池方面的应用。1.比表面积分析范围为0.0005m2/g至无上限。2.孔径的测量范围为3.5埃至5000埃。3.微孔区段的分辨率为0.2埃。4.孔体积最小检测:0.0001cc/g。技术参数主要特点1.1物理吸附理论简单介绍1.2表面积计算1.3孔结构分析1.1物理吸附理论简单介绍1.1.1吸附现象及其描述•吸附现象:吸附作用指的是一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面上的过程-----物质在界面上变浓的过程。界面上的分子与相里面的分子所受的作用力不同而引起的。*气－固接触面来说，由于固体表面分子受力不均衡，就产生一个剩余力场，这样就对气体分子产生吸附作用。*吸附的分子仍是在不断运动的（例如振动）。*气体分子能克服固体表面的引力，会离开表面造成脱附。*吸附与脱附之间可以建立动态平衡.吸附剂:具有吸附能力的固体物质.吸附质:被吸附剂所吸附的物质,(如氮气).通常采用氮气,氩气或氧气为吸附质进行多孔物的比表面,孔体积,孔径的大小和分布的测定.也可通过完整的吸附脱附曲线计算出介孔部分和微孔部分的体积和表面积等.吸附平衡等温线:以压力为横坐标,恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线.通常用比压(相对压力)p/p0表示压力,p为气体的真实压力,p0为气体在测量温度下的饱和蒸汽压.▀物理吸附*物理吸附是吸附质分子靠范德华力（分子引力）在吸附剂表面上吸附，它类似于蒸汽的凝聚和气体的液化。*表面上剩余力场是表面原子配位不饱和造成的，作用力较弱，致使物理吸附分子的结构变化不大，接近于原气体或液体中分子的状态。*物理吸附由于是范氏力起作用，而范氏力在同类或不同类的任何分子间都存在，所以是非专一性的，在表面上可吸附多层。▀化学吸附*化学吸附类似于化学反应，吸附质分子与吸附剂表面原子间形成吸附化学键。*被化学吸附的分子与原吸附质分子相比，由于吸附键的强烈影响，结构变化较大。*由于化学吸附同化学反应一样只能在特定的吸附剂－吸附质之间进行所以具有专一性，并且在表面只能吸附一层。比表面（specificsurfacearea）与分散度▀比表面－－通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：1）一种是单位质量的固体所具有的表面积；2）另一种是单位体积固体所具有的表面积。▀分散度－－把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。物质分割得越小，分散度越高，比表面也越大。VSSVWSSWW和V分别为固体的质量和体积，S为其表面积把边长为1cm的立方体逐渐分割成小立方体的情况：边长l/m立方体数比表面S/（m2/m3）1×10-216×1021×10-31036×1031×10-51096×1051×10-710156×1071×10-910216×109从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。比表面（specificsurfacearea）与分散度吸附现象及其描述吸附量表示方法*在一定条件下，单位重量的固体吸附剂所吸附的吸附质的量或体积（一般换算成标准状态STP）吸附现象描述在测定吸附量过程中发现，吸附剂吸附一种气体吸附质时，其吸附量（α）α=f(T,p)(1-1)T=常数α=f(p)称吸附等温线(1-2)p=常数α=f(T)称吸附等压线(1-3)α=常数p=f(T)称吸附等量线(1-4)吸附现象及其描述吸附等温线形式*假设温度控制在气体临界温度下，α=f(p/p0)(1-5)式中p0－－吸附质饱和蒸汽压*气体吸附量普遍采用的是以换算到标准状态（STP）时的气体体积容量（cm3或ml）表示，于是方程(1-5)改写为：v=f(p/p0)(1-6)Brunauer分类的五种等温线类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型曲线是凸形Ⅲ、Ⅴ型是凹形Ⅰ型等温线相当于朗格谬尔单层可逆吸附过程。Ⅱ型等温线相当于发生在非孔或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过程，位于p/p0=0.05-0.10的B点，是等温线的第一个陡峭部，它表示单分子层饱和吸附量。Ⅲ型等温线不出现B点，表示吸附剂与吸附质之间的作用很弱.相对压力p/p0吸附量νⅣ型等温线是一种特殊类型的等温线，反应的是固体均匀表面上谐式多层吸附的结果。（有毛细凝聚现象发生）Ⅴ型等温线很少遇到，而且难以解释，虽然反映了吸附质与吸附剂之间作用微弱的Ⅲ型等温线特点，但在高压区又表现出有孔充填（毛细凝聚现象）。Ⅳ型、Ⅴ型曲线则有吸附滞后环的可能原因吸附时有孔壁的多分子层吸附和在孔中凝聚两种因素产生，而脱附仅由毛细管凝聚所引起。这就是说，吸附时首先发生多分子层吸附，只有当孔壁上的吸附层达到足够厚度时才能发生凝聚现象；而在与吸附相同的p/p0比压下脱附时，仅发生在毛细管中的液面上的蒸汽，却不能使p/p0下吸附的分子脱附，要使其脱附，就需要更小的p/p0，故出现脱附的滞后现象，实际就是相同p/p0下吸附的不可逆性造成的。吸附等温方程吸附现象的描述除用上述的等温线外，有些吸附现象可以用数学方程来描述。描述吸附现象比较重要的数学方程有：朗格谬尔（Langmuir）等温方程BET吸附等温方程弗朗得利希(Freundich)等温方程焦姆金(Temkin)等温方程单分子层吸附等温方程——朗格谬尔（Langmuir）等温方程模型的基本假定：吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量；被吸附分子间的作用力可略去不计；属单层吸附，且每个吸附位吸附一个质点；吸附是可逆的。用θ表示覆盖度，即吸附剂表面被气体分子覆盖的分数，未被覆盖分数应为(1-θ)，则吸附速率＝kap(1-θ)(1-7)脱附速率＝kdθ(1-8)单分子层吸附等温方程——朗格谬尔（Langmuir）等温方程当达到动态平衡时，(1-9)(1-10)其中式中：p――吸附质蒸气吸附平衡时的压力；ka,kd――分别为吸附和脱附速率常数；K——该吸附过程的吸附系数，即吸附平衡的平衡常数；K0——指数表达式的指前因子，近似认为与温度无关。da)-(1kpkKpKppkkpkθ+1=+=ada为吸附热QRTQKkkK)/exp(0da单分子层吸附等温方程——朗格谬尔（Langmuir）等温方程如果用v（STP,ml/g）表示吸附量，vm（STP,ml/g）表示单分子层饱和吸附量，则，式（1-10）化简得：(1-11）式（1-10）与式（1-11）都称为朗格谬尔吸附等温式，他们在用v对p作图时的形状与Ⅰ型吸附等温线相同。实际上，分子筛或只含微孔的活性炭吸附蒸汽时的吸附等温线就是Ⅰ型的，因此Ⅰ型又称为朗格谬尔吸附等温线。式（1-11）在用p/v对p作图时是一条直线，其斜率为1/vm，截距为1/(vmK)，由此可以求出单分子层饱和吸附量vm。mmvpKvvp1多分子层吸附等温方程——BET吸附等温式单分子层吸附等温方程无法描述除Ⅰ型等温线以外的其他等温线。为了解决这个困难，布朗诺尔（Brunauer）、埃米特（Emmett）和泰勒（Teller）提出了多分子层吸附模型，并且建立了相应的吸附等温方程，通常称为BET等温方程。BET模型假定：吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量；被吸附分子间的作用力可略去不计；固体吸附剂对吸附质——气体的吸附可以是多层的，第一层未饱和吸附时就可由第二层、第三层等开始吸附，因此各吸附层之间存在着动态平衡；自第二层开始至第n层（n→∞），各层的吸附热都等于吸附质的液化热。多分子层吸附等温方程——BET吸附等温式按照朗格谬尔吸附等温方程的推导方法同样可得到BET吸附等温方程：（1-12）式中p0――吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压；vm——单分子层饱和吸附量；C——BET方程C常数，其值为exp{(E1-E2)/RT},E1为第一吸附层的吸附热。由式（1-12）可见，当物理吸附的实验数据按p/v(p0-p)与p/p0作图时应得到一条直线。直线的斜率m=(C-1)/(vmC),在纵轴上的截距为b=1/(vmC)，所以(1-13)(1-14)ommo1(ppCvCCvppvp－＝－1)根据直线的斜率和截距,可求出形成单分子层的吸附量Vm=1/(斜率+截距)和常数C=斜率/截距+1.以P/V(P0-P)对P/P0作图,得一直线50011PPCVCCVPPVPmm1+/=bmC)+1/(=mbmv1.2表面积计算常用的计算方法有：BET法B点法经验作图法其它方法1.2.1BET法BET吸附等温方程（1-12）――――单层饱和吸附量vm：(1-13)设每一个吸附分子的平均截面积为Am(nm2)，此Am就是该吸附分子在吸附剂表面上占据的表面积：(1-14)式中NA——阿伏伽德罗常数（6.02x1023）。斜率＋截距1=mv/gm10×22414××=218-mAmgVNAS1.2.1BET法*埃米特和布郎诺尔曾经提出77K（-195℃）时液态六方密堆积的氮分子横截面积取0.162nm2，将它代入式（1-14）后，简化得到BET氮吸附法比表面积的常见公式：(1-15)*实验结果表明，多数催化剂的吸附实验数据按BET作图时的直线范围一般是在p/p00.05-0.35之间。*C常数与吸附质和表面之间作用力场的强弱有关。给定不同的C值，并以v/vm对p/p0作图，就得到下图的一组曲线。/gm325.4=2mgvS常数c作参数，以吸附重量或吸附体积（W/Wm或V/Vm）对x=P/P0作图。a)c﹥2，II型吸附等温线;b)c﹤2，III型吸附等温线BET公式适用比压范围:0.05≤x≤0.3561.2.1BET法*随C值的增加，吸附等温曲线由Ⅲ型变为Ⅱ型，曲线在v/vm=1处的弯曲越来越接近直角。这反映了第一吸附层和其它吸附层之间吸附力场的差异越来越大。*当C值很大时，就可以由实验数据确定vm的值。在C值比较小时，尽管也可以由BET公式计算得到vm的值，但此时由于实验数据的微小变动就能引起vm值较大变化。从图形上看，随着曲线弯曲趋于平缓而不明显，vm不确切增大。当C值接近于1时，甚至根本无法求算vm的值。一点法氮吸附时C常数通常都在50～200之间，由于C常数较大，所以在BET作图时的截距1/(vmC)很小，在比较粗略的计算中可以忽略，即可以把p/p0在0.20~0.25左右的一个实验点和原点相连，由它的斜率的倒数计算vm值，通常称为一点法或单点法。只有当C值1的前提下，二者误差一般在10%以内。多点法相对于一点法来说，常规BET作图测定比表面要进行多个实验点（一般取五点）测量，因此又称多点法。1.2.2B点法埃米特和布郎诺尔将Ⅱ型等温线和Ⅳ型等温线上的第二段直线部分起始的扭转点称为B点。当C值很大时(C值大于100,B点容易确定;C＜80时,vm与vB近似相等；)，B点相应的吸附量vB可以当作饱和吸附量，因此可由吸附等温线上的B点直接确定vm，通过式（1-14）计算比表面Sg，这种方法称为B点法。/gm10×22414××=218-mAmgVNAS1.2.3经验作图法(t-图法)德.博尔（DeBoer）建立起来的v-t作图法对于固体表面上无阻碍地形成多分子层的物