物理吸附仪

[img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433173704_7895_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433182045_860_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433187522_4094_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433195792_6136_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433206002_3229_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433220399_1739_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433228560_6868_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241433234592_7032_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435023422_4656_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435037251_8321_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435047702_4459_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435057153_6344_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435064532_3577_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435072882_3559_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435085602_3528_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241435095062_2431_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img]

[img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504101892_1549_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504109772_8663_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504122321_2753_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504130332_1714_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504134572_2547_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504141752_153_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504149692_723_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241504163575_3967_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img]

[img=材料表征之物理吸附,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241040543064_4373_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241041301720_2977_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241043459714_5656_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241044185308_7597_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241044444424_9357_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附表征,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241045065334_3428_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=材料表征之物理吸附,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241045557845_1528_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241045552293_6474_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img]

[img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241153511237_9662_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241154139229_1894_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241157318642_5257_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241157516246_7946_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241157528176_756_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241157538022_6220_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241213474512_9091_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241215236692_7963_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241216000692_2445_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附测试仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241216283826_5254_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img]

我要测分子筛的的氮气物理吸附-脱附曲线，样品既有微孔也有介孔，但微孔较多，请问怎么取点呢？取多少点？还有，我现在的数据分析，发现BET算出的C值在所有范围内都是负的，这跟我做氮气吸附的取点有没有关系？怎么避免这个问题？还有一点，t-plot怎么取点比较合理呢？多谢大神指点！http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609281555_612465_2991446_3.jpg

[b]作者：[/b]丁延伟，[color=#2d374b]中国科学技术大学理化科学实验中心副主任。[/color]通过物理吸附技术可以得到固体材料的比表面积、孔径分布、孔隙度、表面性质等结构信息，其在物理、化学、材料、生物、环境等学科中得到日益广泛的应用。实验上，利用专业的商品化的物理吸附仪或化学吸附仪，先将吸附剂在一定温度下以真空或吹扫气的形式对其进行彻底脱气，再在恒定温度下，控制吸附质与载气的分压，使吸附体系逐步达到平衡。这种通过控制吸附质分压与相应的平衡吸附量的关系所得到的实验曲线即为吸附等温线。[b]习惯上，将由实验得到的吸附和脱附过程得到的等温线统称为吸附等温线。[/b]多年来，许多研究者对各类吸附等温线提出了许多吸附相互作用理论，并推导出了等温吸附公式，如Henry吸附式、Freundlich吸附式、Langmuir理论、BET吸附理论等，并依托于这些理论表征吸附剂的结构与成分，如比表面积、孔容积、孔径分布等信息。实验上，用于测量材料的物理吸附性质的仪器主要有容量法和重量法两种，其中以容量法更为常用。容量法测量物理吸附的仪器又分为流动法和静态法两种。静态容量法由于待测样品是在固定容积的样品管中，吸附质相对动态法不流动。该方法测量是在等温（通常用液氮）条件下，向样品管内通入一定量的吸附质气体（通常为N[sub]2[/sub]），通过控制样品管中的平衡压力直接测得吸附分压，由气体状态方程（通常为理想气体状态方程）得到该分压点的吸附量。测量过程中逐渐增加吸附质气体使吸附平衡压力逐渐变大，最终得到吸附等温线。通过逐渐吸附质气体被抽走来降低吸附平衡压力，得到脱附等温线（如图2）。由于气体在固体表面的吸附状态多种多样，由此所得到的吸附等温线也不是一成不变的。2015年8月，国际化学领域最权威的国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了最新的比表面积和孔参数分析的气体吸附分析规范。图1为物理吸附等温线的最新分类方法，实际由实验得到的各种吸附等温线大多是这六类等温线的不同组合。[align=center][img=,348,510]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170935179761_1197_3224499_3.jpg!w348x510.jpg[/img] [/align][align=center]图1物理吸附等温线的最新分类[/align][align=center][img=,340,280]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170935287586_8445_3224499_3.jpg!w340x280.jpg[/img][/align][align=center]图2 典型氮气吸脱附等温线[/align]理论上，通过实验得到的等温线为累积吸附量。也就是说，在吸附过程中，随着压力的持续增加，吸附量应保持不变（即在该压力下没有发生吸附）或持续增加（即在该压力下发生了吸附）。而在脱附过程中，随着压力的持续减小，在相应的压力下吸附的气体分子逐渐脱离样品的表面。理论上，如果不考虑表面张力的作用，吸附曲线与脱附曲线应保持重合（图3）。由于表面张力作用的存在，导致在某一压力下吸附的分子不能在该压力下发生脱附。随着压力的进一步下降，这部分吸附的分子会进一步发生脱附，由此得到的吸附线与脱附线之间并不重合，形成了如图2所示的滞后环。在0.4~0.95之间的滞后环通常被看作介孔材料的典型特征。[align=center][img=,452,367]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170935450026_3092_3224499_3.jpg!w452x367.jpg[/img][/align][align=center]图3[/align]然而，在实际上通过物理吸附实验得到的等温线与图1中IUPAC提出的分类方法并不一致，本文结合实验中得到的一些“诡异”的等温线谈一下这些引起这些诡异的等温线的原因，并给出相应的解决方案。概括来说，常见的异常等温线主要分为以下几类：[b]1 吸附支正常，脱附支逐渐与吸附支交叉并处于吸附等温线的下方[/b]这种类型的等温线如图4所示，图中红色曲线对应于吸附过程，紫色曲线则对应于脱附过程。由图可见，在脱附过程中，随着相对压力的减小，脱附支逐渐下降，在相对压力P/P[sub]0[/sub]=0.65处与吸附支相交，并保持持续降低。在相对压力低于0.65的压力范围内的吸附量始终低于吸附支所对应的数值。[align=center][img=,480,405]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170935588561_2093_3224499_3.jpg!w480x405.jpg[/img][/align][align=center]图4[/align]图4中的这种现象主要是由于在实验过程中液氮液面的逐渐下降，导致样品所处的等温环境发生的变化，温度逐渐升高引起的。图4中的等温线多见于吸附量较大的多孔材料。对于这类材料除了应选择合适的样品量之外（不宜加入过多的样品量，由此会导致实验时间延长），还应注意根据实验所使用的杜瓦瓶的容积来及时添加液氮，使样品始终处于等温的环境下。[b]2. 吸附支基本正常，脱附支在实验过程中始终处于吸附支的下方[/b]如图5所示，所得到的等温线的吸附支基本正常，但等温线的脱附支始终处于吸附支的下方。与第一种情形类似，如果实验在较短的时间内完成（排除液氮液面的下降因素），此时应考虑样品量和脱气条件等因素。较少的样品量会引起测量的吸附量的绝对值降低，造成测量数据的准确性下降。另外如果脱气温度设置不当，也会产生类似的现象。过低的脱气温度会引起在表面或者孔道中存在的溶剂或水分子无法有效地去除而造成堵塞现象，过高的脱气温度则会造成孔道或者表面的塌缩，从而引起吸附量的下降。避免这种现象的有效方法是选择更多的样品量或者设定合适的脱气条件。[align=center][img=,560,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170936126460_5937_3224499_3.jpg!w560x467.jpg[/img][/align][align=center]图5[/align][b]3. 等温线的吸附支和脱附支在较高的相对压力下的吸附量随压力的升高而下降[/b]这种异常的等温线的吸附支和脱附支在较高的相对压力下的吸附量随压力的升高而下降，如图6和图7所示。如前所述，通过实验得到的等温线为累积吸附量。也就是说，在吸附过程中，随着压力的持续增加，吸附量应保持不变（即在该压力下没有发生吸附）或持续增加（即在该压力下发生了吸附）。由于脱附支曲线所对应的吸附量应大于等于吸附支所对应的吸附量，因此这类等温线得到的数据为异常数据，由等温线计算得到的孔径分布曲线、比表面积、孔容积等数据均是异常的数据。这种现象是由于在实验过程中使用了较少的样品量和不合适的脱气条件造成的，应选择更多的样品量或者设定合适的脱气条件。[align=center][img=,412,344]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170936274501_1625_3224499_3.jpg!w412x344.jpg[/img][/align][align=center]图6[/align][align=center][img=,436,374]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170936394117_5512_3224499_3.jpg!w436x374.jpg[/img][/align][align=center]图7[/align][b]4. 等温线的吸附支和脱附支之间出现了两个交点，呈8字形[/b]这种类型的等温线的吸附量随着相对压力的升高整体保持增加的趋势，但在脱附过程中的脱附支曲线与吸附支有出现了两个交点，呈8字形，如图8所示。由于这种类型的等温线有一段（图8中P/P0在0.5-0.8之间）出现了脱附支所对应的吸附量位于吸附支曲线所对应的吸附量的现象，因此为异常曲线。这种类型的等温线通常是由于在实验过程中使用了较少的样品量和不合适的脱气条件造成的，应选择更多的样品量或者设定合适的脱气条件。[align=center][img=,560,467]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170936549772_8663_3224499_3.jpg!w560x467.jpg[/img][/align][align=center]图8[/align][b]5 等温线的吸附支和脱附支不闭合[/b]如图9和图10所示，等温线的吸附支和脱附支之间并没有发生了闭合现象，这种现象与图1 中的IUPAC所描述的几种类型的等温线出现了偏离。文献中对于这种类型的等温线也给出了不同的解释。理论上，出现这种不闭合的现象是由于发生了不可逆吸附造成的。在实际的数据分析过程中，应首先排除样品量和脱气条件的影响，如果这些条件都没有问题的话应结合样品的性质对于这种现象给出合理的解释。通常可以通过调整样品量和脱气条件来改善这种现象。对于不可逆吸附过程而言，可以通过不更换样品管原位多次重复吸附来证实。[align=center][b][/b][/align][align=center][img=,400,345]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170937072894_6250_3224499_3.jpg!w400x345.jpg[/img][/align][align=center]图9[/align][align=center][img=,420,378]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910170937199101_3189_3224499_3.jpg!w420x378.jpg[/img][/align][align=center]图10[/align]

[align=center][b]物理吸附实验中样品加入方式改进[/b][/align][align=left] [/align][align=left] 当前在用的商品化的物理吸附仪多采用容量法的原理。为了保证样品在测试过程中不被仪器的真空系统倒吸且使样品在测试过程中保持恒温，多采用长的管臂，管壁尽头为一较大的玻璃泡，如图1所示。[/align][align=left][img=,690,388]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031107_01_1879291_3.png[/img][/align][align=left] 测试时，实验所得到的有效的吸附量主要来源于玻璃泡中样品对于吸附质气体的吸附量。由于管壁较长，为了方便添加样品，仪器厂商一般会随主机附带一种可以固定在管口的金属材质或塑料材质的辅助加样装置，如图2所示。[/align][align=left][img=,690,474]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031109_01_1879291_3.png[/img][/align][align=left] 在实际使用过程中，对于颗粒状样品可以用该装置顺利加入到样品管的底部，而对于较轻的粉末状样品，在加入时由于静电作用则容易吸附在管壁，如图3所示。[/align][align=left][/align][align=left][img=,594,708]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031111_01_1879291_3.png[/img][/align][align=left] 对于吸附在管壁上的样品由于在实验过程中这些样品并没有浸泡在液面之下，对吸附质气体发生十分微弱甚至没有吸附，由此会带来测量数据偏小的不良后果。 为了避免这种现象，我们设计了一种可以直接将样品加入至样品管底部的玻璃材质的辅助加样装置，如图4所示。[/align][align=left][img=,417,716]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/09/201709031112_01_1879291_3.png[/img][/align][align=left] 为了便于加载样品，该装置顶部采用漏斗状结构，下部较长的管状结构可以直接将样品传送到样品管的底部，从而有效地避免了粉末状样品粘附在样品管壁的现象。管径和长度可依据样品管尺寸做适当的变化 这种结构的玻璃材质的辅助加样装置易于加工，并且成本很低，便于在大多数实验室推广使用。[/align]

[b]作者：[/b]丁延伟，[color=#2d374b]中国科学技术大学理化科学实验中心副主任。[/color]在《“诡异”的物理吸附等温线》一文发出后，受到了许多同行的高度关注，一些读者希望了解关于物理吸附实验中样品用量和脱气条件选择方面的内容。在实验中，选择合适的样品用量和脱气温度是得到高质量的物理吸附数据的关键。为了叙述方便，在本文中结合实例谈下物理吸附实验中样品用量选择问题。在下一篇文章中将讨论脱气条件的选择问题，敬请持续关注。在实验过程中，选择合适的样品用量对于最终得到的实验数据影响较大。样品用量过多，会导致实验的时间延长。而过长的实验时间会导致实验过程中液氮的液面下降。除了耗费时间之外，液氮液面下降过多还会导致样品所处的温度升高，引起等温线异常（图1）。另外，过少的样品量会导致样品表面对吸附质分子的吸附量下降，也会引起等温线异常（图2、图3）。因此，选择合适的样品用量是得到理想的物理吸附数据的关键。[align=center] [img=,480,405]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241420276086_2066_3224499_3.jpg!w480x405.jpg[/img] [/align][align=center]图1[/align][align=center][img=,412,344]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241420366366_4857_3224499_3.jpg!w412x344.jpg[/img][/align][align=center]图2[/align][align=center][img=,436,374]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241420447746_4326_3224499_3.jpg!w436x374.jpg[/img][/align][align=center]图3[/align]通常，根据待测样品的比表面积来估计实验时所使用的样品用量。如果对于待测的样品的比表面积不是十分了解，可以对于比表面积进行大体的估算。通常比表面积和样品量之间存在如下关系：[align=center]比表面积*样品量=5 (1)[/align]由等式（1）可见，样品量与比表面积成反比关系。比表面积越大，实验时所需的样品量就越少，反之亦然。当样品的比表面积为1m[sup]2[/sup]/g时，需要的样品质量为5g。而当样品的比表面积为10 m[sup]2[/sup]/g时，则需要的样品质量为0.5g。但以上关系式对于比表面积大于100m[sup]2[/sup]/g的样品并不适用。按照等式（1）计算，当比表面积大于100m[sup]2[/sup]/g时，由该关系式计算可以得到实验所需的样品量至少为0.05g（即50mg）。在物理吸附实验过程中，样品通常需要加入至一支重量约为20~40g，如果实验过程中加入的样品量少于0.05g，而在对经过脱气后的加入样品的样品管进行称量时，其质量也会在20~40g范围，甚至更高。因此物理吸附实验所使用的分析天平通常为万分之一克的天平。当样品质量低于50mg时，[b]由于确定样品的质量需要通过加入样品的样品管的质量和空白样品管的质量相减得到[/b]，因此由称量带来的误差不容忽视。样品量越少，对于所得到的等温线的吸附量影响越大。因此，较少的样品质量也会对由等温线根据不同的模型计算得到的孔容积、比表面积、孔径分布曲线等结果产生影响。因此，当比表面积大于100m[sup]2[/sup]/g、小于300 m[sup]2[/sup]/g时，通常要求比表面积和样品量之间满足如下关系：[align=center]比表面积*样品量=30 （2）[/align]由等式（2）可见，对于比表面积为100m[sup]2[/sup]/g的样品而言，样品用量为0.3g。而当样品的比表面积为300m[sup]2[/sup]/g时，样品用量则为0.1g。当样品的比表面积大于为300m[sup]2[/sup]/g时，为了保证样品质量的准确性，实验的样品用量通常不低于50mg。需要特别指出，以上关系式为估算值，供制样时参考。

[b]作者：[/b]丁延伟，[color=#2d374b]中国科学技术大学理化科学实验中心副主任。[/color]在上一篇文章中介绍了《物理吸附实验中样品用量的选择》，按照物理吸附实验程序，在确定了样品用量之后，接下来要对样品进行脱气处理。脱气条件的选择与样品量均十分重要，是取得理想的实验结果的前提。在本文中，将对吸附实验中的脱气条件的选择进行阐述。脱气的目的是最大程度地去除表面吸附的溶剂和从环境中吸附的水蒸气等其他分子。如果表面吸附的这些物种不能有效去除，在进行吸附实验时势必会影响最终的吸附等温线的吸附量数值，由此导致所得到的比表面积、孔容积等参数的数值变小。因此，只有选择合理的脱气条件，有效地脱除样品表面吸附的溶剂、水蒸气等分子，才可以得到理想的实验结果。常用的脱气方式分动态脱气和真空脱气两种。其中，动态脱气是在一定的温度下，使加入到样品管中的样品上方流通一定流速的气体（通常为氦气或者氮气），流动的气氛将加热时表面吸附的溶剂、水分子等带离样品管，从而达到脱气的目的。而真空脱气则是在一定的温度下，将装有样品的样品管连接在仪器的脱气装置的真空，通过负压将表面吸附的溶剂、水分子等带离样品管。显然，真空脱气方式的脱气效果要优于动态脱气方式。实际上，大多数的物理吸附实验采用在一定的温度（通常高于室温）下抽真空的方法。在选择脱气条件时，通常需要设定合适的脱气温度和等温时间。一般来说，脱气温度越高，表面吸附的溶剂、水分子等的脱除效果越好。设定合适的脱气时间可以使这些分子有足够的时间被脱除。通常，在较高的脱气温度下所需的脱气时间可以适当缩短。在实际设定脱气条件时，与脱气时间相比，合适的脱气温度显得更加重要。如果脱气温度设定过高，通常会引起样品发生熔融、分解、表面结构变化、孔塌缩，由此得到的结果并非测试样品的实验结果。图1为在较高的脱气温度下得到的异常等温线。由图可见，即使样品中含有大量的孔结构，过高的脱气温度引起了孔的塌缩，从而导致吸附能力减弱，无法得到正常的等温线。 [align=center] [img=,436,374]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241425496214_771_3224499_3.jpg!w436x374.jpg[/img] [/align][align=center]图1[/align]另一方面，在过低的脱气温度下，即使采用过长的等温时间（如12小时或24小时）也无法有效地脱除表面吸附的溶剂、水等分子。这些分子的存在会挤占表面的吸附位或者堵塞孔道，导致比表面积和孔容积下降。通常用热分析技术中的热重法（TG）和差示扫描量热法（DSC）来选择合适的脱气温度。理想的脱气温度应在熔点和分解温度之前。如果材料中含有结晶水，实验时如果不考虑结晶水存在时的结构状态，则脱气温度应在结晶水的分解温度之上。以下举例说明。例1 图1中的绿色曲线为含有结晶水的草酸钙样品的热重曲线，121℃开始的第一个失重台阶对应于结晶水的失去过程，389℃开始的第二个失重台阶对应于草酸钙分子结构中的CO的失去过程。（1）如果需要测量不含结晶水的草酸钙的物理吸附实验并由此得到比表面积孔容积等信息，则脱气温度应设置在300-350℃范围内。（2）如果需要测量含有结晶水的草酸钙样品的物理吸附实验并由此得到比表面积孔容积等信息，则脱气温度不得高于120℃。[b]需要特别指出，由于热重实验是在常压下的动态气氛下以恒定的加热速率条件下得到的，而吸附实验的真空脱气是在很定温度下的真空环境下进行的，设定的脱气温度应低于热重曲线的开始温度20-50℃，以免样品在脱气过程中发生分解。如果采用动态气体吹扫法进行脱气，则温度可以适当提高。由于脱气在等温下进行，所设定的脱气温度也应低于热重的开始分解温度5-10℃。[/b]例如，对于以上第（1）种情形的脱气温度可以设在80-100℃范围中的一个温度，对于以上第（1）种情形的脱气温度可以设在320-350℃中的一个温度。设置的温度越低，则脱气时间可以适当延长。常用的脱气时间为60-600分钟不等。另外，样品中孔的含量越多，脱气时间也应越长。[align=center][img=,560,270]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241425579422_175_3224499_3.jpg!w560x270.jpg[/img][/align][align=center]图2 含有结晶水的草酸钙的TG曲线[/align]例2 为一种有机物的DSC曲线，由图可见样品自130℃开始逐渐发生熔融，如果需要对这种样品进行物理吸附实验，则脱气温度可以设置在80-110℃。如果温度设置过高，则易引起样品中孔结构的塌缩。[align=center][img=,560,271]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/10/201910241426055932_7531_3224499_3.jpg!w560x271.jpg[/img][/align][align=center]图3 一种有机物的DSC曲线[/align]综合以上两个实例，在设置脱气温度时应综合TG和DSC曲线来确定合理的脱气温度，对于熔点较高（高于400℃）或者不存在熔点的样品而言，只通过TG实验就足够了。另外，如果样品在加热过程存在不可逆相变，由于不同的结构形式的吸附能力也有差异，则脱气温度也应低于该温度。需要特别指出，[b]如果样品已经经过高温（高于400℃）热处理过程，由于脱气装置的最高工作温度在400-450℃范围，则可以直接将脱气温度设定在300-400℃[/b]。[b][color=black]如果样品中含有大量的微孔，在样品可以承受的最高温度下脱气时还应大幅度延长脱气时间，以使微孔中的吸附水、溶剂等分子彻底脱除。[/color][/b][color=black]如果样品中含有在合成或处理过程中引入的一些稳定性很好的无机盐如钠盐、钾盐等，这些化合物会堵塞表面的缺陷或孔，影响测量结果。如果不希望样品受这些无机化合物的影响，则应对样品进行再次处理。对于一些再合成或处理过程中有意在样品中负载的一些活性组分如铂、金等，则无需在处理时将这些活性组分进行置换。[/color]

[img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453158294_7217_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453167774_606_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453176504_5804_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453187644_1453_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453197634_9209_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453207914_2001_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453213382_5685_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=物理吸附分析仪,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/02/202002241453223122_7380_3904283_3.jpg!w690x517.jpg[/img]

[align=center][color=#333333]物理吸附法[/color][color=#333333]or BET[/color][color=#333333]法？[/color][/align][align=center][color=#333333]---[/color][color=#333333]浅析确定固体材料的比表面积、孔径分布等孔参数的实验方法的名称[/color][/align][align=center][color=#333333]丁延伟[/color][/align][align=center][color=#333333]（中国科学技术大学理化科学实验中心，安徽省合肥市，[/color][color=#333333]230026[/color][color=#333333]）[/color][/align][b][color=#333333]摘要：[/color][/b][color=#333333]气体吸附技术作为对固体材料的比表面积、孔径分布、孔隙度、表面性质等参数的分析的必备手段，在物理、化学、材料、生物、环境等学科中得到日益广泛的应用。[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]法作为一种[/color][color=#333333]多分子层吸附理论，常用来计算固体材料的比表面积。[/color][color=#333333]本文介绍了物理吸附法和[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]法的相关理论及应用，力图规范确定固体材料的比表面积、孔径分布等孔参数的实验方法的名称为物理吸附法。[/color][color=#333333] [/color][b][color=#333333]关键词：物理吸附，[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]模型，比表面积[/color][/b][color=#333333] [/color][b][color=#333333]1. [/color][color=#333333]前言[/color][/b] 多孔材料由于其特殊的多孔性结构，使其具有高比表面积、高孔隙率、高透过性、高吸附性、可组装性等诸多优异的物理化学性能，因而在化工、生物医药、环保、功能材料等领域均有广泛应用[sup][/sup]。多孔材料的研究已成为当今材料科学研究领域的一大热点。多孔材料的研究离不开结构表征分析，多孔材料的孔隙结构特性主要包括孔径、孔径分布、孔形态、孔容积及孔通道特性等方面。多孔材料的孔隙结构是不规则的，孔穴尺寸在不同方向上存在着差异。多孔材料的这种各向异性状态,可以对其各项性能产生不同程度的影响[sup][/sup]。了解多孔材料的比表面积和孔隙形貌对研究其活性、吸附、催化、力学性能等都具有重要意义。多孔材料的表征方法很多，根据检测目的不同，一般可分为X射线小角度衍射法、气体吸附法、电子显微镜、压汞法、气泡法、离心力法、透过法、核磁共振法等。 气体吸附技术作为对固体材料的比表面积、孔径分布、孔隙度、表面性质等参数的分析的必备手段，在物理、化学、材料、生物、环境等学科中得到日益广泛的应用[sup][/sup]。气体吸附技术主要分为物理吸附和化学吸附两大类。通常使用物理吸附技术来确定固体材料的比表面积、孔径分布、孔隙度等信息[sup][/sup]。 然而，在许多已经公开发表的各种科研论文、专利等技术资料中通常对用来确定固体材料的比表面积、孔径分布等孔参数的实验方法的名称存在比较混乱的现象。例如，有些技术资料中称这种方法为BET法，而有的则称为比表面积测定法。本文试图从理论角度来规范这类方法的名称。[b]2.物理吸附相关理论[sup][/sup][/b] 通常将互不相混溶的两相接触所形成的过渡区域称为界面，吸附作用则发生在两相之间的界面上。吸附是物质（通常为固体物质）表面吸着周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象，是一种传质过程。吸附质（adsorbate）通常定义为在界面上被吸附的物质，而吸附剂（adsorbent）则被定义为具备从[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]或者液相中吸附某些组分的能力的物质。吸附作用通常可以分为物理吸附与化学吸附。依靠分子间普遍存在的van der Waals力产生的吸附作用称为物理吸附，而由于吸附质分子与吸附剂发生化学作用产生的吸附称为化学吸附。 吸附质在吸附剂上的吸附量（[i]x[/i]）是绝对温度（[i]T[/i]）、气体压力（[i]p[/i]）或液体浓度（[i]c[/i]）和固体-气体之间的吸附作用势（[i]E[/i]）的函数，用式(1)表示。[img=,576,135]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708140959_01_2984502_3.jpg[/img] 对于给定的气-固体系，当温度[i]T[/i]保持恒定时，通常可认为吸附作用势[i]E[/i]保持不变。此时平衡吸附量[i]x[/i]只是压力[i]p[/i]的函数，该表达式得到的曲线通常称为吸附等温线（adsorptionisotherm）。同样的道理，当压力[i]p[/i]保持恒定时，吸附量[i]x[/i]与温度[i]T[/i]的关系曲线则称之为吸附等压线；当吸附量[i]x[/i]保持恒定不变时，[i]p[/i]与[i]T[/i]的关系则称为吸附等容线。[color=#333333] 物理吸附是由分子间的弱相互作用力所引起的吸附，由于该作用较弱，由此产生的吸附热较小，吸附和脱附速度也都较快。被吸附物质也较容易脱附下来，因此物理吸附是可逆的。例如分子筛对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。[/color] 通常情况下，我们可以通过分析吸附体系的吸附等温线根据相关的理论模型来得到固体材料的比表面积、孔径分布、孔隙度、表面性质等参数。 实验上，利用专业的商品化的物理吸附仪或化学吸附仪，先将吸附剂在一定温度下以真空或吹扫气的形式对其进行彻底脱气，再在恒定温度下，控制吸附质与载气的分压，使吸附体系逐步达到平衡。这种通过控制吸附质分压与相应的平衡吸附量的关系所得到的实验曲线即为吸附等温线。 由于气体在固体表面的吸附状态多种多样，由此所得到的吸附等温线也不是一成不变的。2015年8月，国际化学领域最权威的国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了最新的比表面积和孔参数分析的气体吸附分析规范[sup][/sup]。图1为物理吸附等温线的最新分类方法，实际由实验得到的各种吸附等温线大多是这六类等温线的不同组合。多年来，许多研究者对各类吸附等温线提出了许多吸附相互作用理论，并推导出了等温吸附公式，如Henry吸附式、Freundlich吸附式、Langmuir理论、BET吸附理论等，并依托于这些理论表征吸附剂的结构与成分，如比表面积、孔容积、孔径分布等，其研究深入到吸附作用的机理。[b]3. 气体吸附法测定比表面积与孔参数的基本原理[/b][color=#333333] 用于测量材料的物理吸附性质的仪器主要有容量法和重量法两种，其中以容量法更为常用。容量法测量物理吸附的仪器又分为流动法和静态法两种。本文主要介绍静态容量法仪器的工作原理及实验样品用量。[/color][color=#333333] 静态容量法由于待测样品是在固定容积的样品管中，吸附质相对动态法不流动。该方法测量是在等温（通常用液氮）条件下，向样品管内通入一定量的吸附质气体（通常为[/color][color=#333333]N[sub]2[/sub][/color][color=#333333]），通过控制样品管中的平衡压力直接测得吸附分压，由气体状态方程（通常为理想气体状态方程）得到该分压点的吸附量。测量过程中逐渐增加吸附质气体使吸附平衡压力逐渐变大，最终得到吸附等温线。通过逐渐吸附质气体被抽走来降低吸附平衡压力，得到脱附等温线（如图[/color][color=#333333]2[/color][color=#333333]）。[/color][align=center][img=,494,383]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708141000_01_2984502_3.jpg[/img][/align][align=center][img=,494,383]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708141000_02_2984502_3.jpg[/img][/align][color=#333333] 根据所测得的吸附[/color][color=#333333]-[/color][color=#333333]脱附等温线可以判断吸附现象的本质，如属于分配（线性），还是吸附（非线性）；测量吸附剂对特定吸附质的吸附容量；用于计算吸附剂的孔径、比表面、孔容积、孔形状等重要物理参数。[/color][color=#333333] 气体吸附法测定比表面积利用的是多层吸附的原理。其基本原理是测算出某种气体吸附质分子在固体表面形成完整单分子吸附层的吸附量，然后再乘以每个分子的覆盖面积即得到样品的总表面积。单位质量的吸附剂的总表面积（[/color][color=#333333]m[sup]2[/sup]/g[/color][color=#333333]）称为比表面积，它是表面积的常用表示方式。[/color][color=#333333]但是由于实际的固体表面并不是理想的二维平面，而是粗糙不平滑的。因此吸附法测得的表面积只是吸附质分子可以直接[/color][color=#333333]“[/color][color=#333333]接触[/color][color=#333333]”[/color][color=#333333]到的表面的面积，这一数值会因吸附质分子大小不同而发生变化。为了得到固体材料的真实有效的表面积，吸附质分子应该尽量小、接近球形而且对表面惰性。高纯氮气、氪气和氩气等气体都是适合的选择。其中，由于液态氮的价格便宜、容易高纯度获得，其在大多数表面上都可以形成典型的[/color][color=#333333] II[/color][color=#333333]、[/color][color=#333333]IV [/color][color=#333333]型吸附等温线，并且分子截面积已经得到了公认值，所以最为常用。气体吸附质分子在固体表面形成完整单分子吸附层的吸附量需要通过处理吸附等温线数据求出。[/color][color=#333333] 气体吸附法测定孔径分布利用的是毛细冷凝现象和体积等效交换原理，即将被测孔中充满的液氮量等效为孔的体积。[/color][color=#333333] 由于不同材料的孔结构大有不同，因此我们采用不同的数据处理方法与模型（如表[/color][color=#333333]1[/color][color=#333333]）对不同情况下的孔结构进行具体处理[/color]。[align=center]表1 常用孔结构分析中的数据处理方法与模型[/align] [table][tr][td] [align=center]孔结构参数[/align] [/td][td] [align=center]数据处理方法或模型[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]比表面[/align] [/td][td]BET, Langmiur（微孔）, DR, BJT, DH[/td][/tr][tr][td] [align=center]中孔分布[/align] [/td][td]BJH, DH[/td][/tr][tr][td] [align=center]微孔分布[/align] [/td][td]DA(DR理论的扩展), HK, SF, MP[/td][/tr][tr][td] [align=center]微孔/中孔分布[/align] [/td][td]NLDFT[/td][/tr][tr][td] [align=center]微孔体积[/align] [/td][td]t-方法, DR(含平均孔宽，分子筛和活性炭等微孔表征)[/td][/tr][tr][td] [align=center]分形维数[/align] [/td][td]FHH, NK[/td][/tr][/table][b]4. BET理论[/b][color=#333333] BET[/color][color=#333333]理论是根据吸[/color]附等温线得到固体材料的比表面积的一种理论模型，最初是由三位美国学者S. Brunauer、P. Emmett和E. Teller于1938年提出的[url=https://baike.baidu.com/item/BET][color=black]BET[/color][/url]多分子层吸附理论，BET是三位科学家（Brunauer、Emmett和Teller）的首字母缩写。其数学表达式即BET方程。 推导BET方程所采用的模型主要做了以下基本假设：（1）吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量；（2）被吸附分子间的作用力可略去不计；（3）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；（4）自第二层开始[color=#333333]至第[/color][i][color=#333333]n[/color][/i][color=#333333]层（[/color][i][color=#333333]n[/color][/i][color=#333333]→∞[/color][color=#333333]），各层的吸附热都等于吸附质的液化热。[/color][color=#333333] 我们可以通过热力学和动力学两种方法来推导[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]方程，表达式如下：[/color][align=center][img=,675,272]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708141001_01_2984502_3.jpg[/img][/align][color=#333333] 由上式可见，当物理吸附的实验数据按[/color][color=#333333] [i]p[/i]/[i]v [/i]([i]p[/i][sub]0[/sub]-[i]p[/i])[/color][color=#333333]与[/color][i][color=#333333]p[/color][/i][color=#333333]/[i]p[/i][sub]0[/sub][/color][color=#333333]作图时应得到一条直线。直线的斜率[/color][i][color=#333333]m [/color][/i][color=#333333]= ([i]C[/i]-1)/([i]v[/i][sub]m[/sub][i]C)[/i],[/color][color=#333333]在纵轴上的截距为[/color][i][color=#333333]b[/color][/i][color=#333333]=1/([i]v[/i][sub]m[/sub][i]C)[/i][/color][color=#333333]，所以以[/color][color=#333333]/V(P[sub]0[/sub]-P)[/color][color=#333333]对[/color][color=#333333]P/P[sub]0[/sub][/color][color=#333333]作图[/color][color=#333333],[/color][color=#333333]得一直线如图[/color][color=#333333]3[/color][color=#333333]所示。[/color][align=center][img=,534,396]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708141002_01_2984502_3.jpg[/img][/align][color=#333333] 根据直线的斜率和截距[/color][color=#333333],[/color][color=#333333]可求出形成单分子层的吸附量[/color][color=#333333]V[sub]m[/sub]=1/([/color][color=#333333]斜率[/color][color=#333333]+[/color][color=#333333]截距[/color][color=#333333])[/color][color=#333333]和常数[/color][color=#333333]C=[/color][color=#333333]斜率[/color][color=#333333]/[/color][color=#333333]截距[/color][color=#333333]+1[/color][color=#333333]。[/color][color=#333333] 根据[/color][i][color=#333333]V[/color][/i][sub][color=#333333]m[/color][/sub][color=#333333]由下式可以计算吸附剂的[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]比表面积：[/color][img=,557,134]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708141002_02_2984502_3.jpg[/img][color=#333333] 需要指出，为满足以上假设[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]方程的总有效区为相对压力在[/color][color=#333333]0.05~ 0.3[/color][color=#333333]之间。即便如此，[/color][color=#333333]BET[/color][color=#333333]方程还是不精确的，主要原因如下：（[/color][color=#333333]1[/color][color=#333333]）吸附剂表面吸附中心能量不均匀；（[/color][color=#333333]2[/color][color=#333333]）同一层中吸附质分子与相邻分子存在相互作用；（[/color][color=#333333]3[/color][color=#333333]）在大于[/color][color=#333333]1[/color][color=#333333]的多层吸附中，随吸附质远离吸附中心，相互之间作用力会减弱[/color][color=#333333]。[/color][b][color=#333333]5 [/color][color=#333333]结论[/color][/b] 测定多孔材料的孔结构，关键是通过正确的实验操作获得材料的吸附-脱附曲线，再利用合适的数据处理方法或模型获得相应的结构参数。通过以上分析我们可以清楚的看到，用来确定固体材料的比表面积、孔径分布等孔参数的实验方法的规范名称应为物理吸附法，由物理吸附法可以得到固体材料的比表面积、孔径分布、孔容积、分形维数、孔形状等更为丰富的信息，而BET法只是由吸附曲线中p/p[sub]0[/sub]在0.05-0.3之间的数据根据BET模型计算得到固体材料的BET比表面积。另外，BET法确定比表面积只是确定比表面积的其中一种方法。在实际工作中，我们不应该把这两种不同的方法混为一谈。[align=center]参考文献[/align]1. 徐如人，庞文琴，于吉红，等．分子筛与多孔材料化学．北京：科学出版社，2004：13.2. Stein, A. Wang, Z.Y. Fierke,M.A. Functionalization of porouscarbon materials with designed porearchitecture. Adv Mater, 2008, 20:1.3. Ajayan, V. Toshiyuki, M. Katsuhiko, A. New families of mesoporous materials, science and technology ofadvanced materials. Sci Techn Adv Mater, 2006, 10:1.4. Jianlin Shi*, “On thesynergetic catalytic effect of heterogeneous nanocomposite catalysts” , Chemical Reviews, 2013, 113 (3) 2139-21815. Stein, A. Wang, Z.Y. Fierke,M.A. Functionalization of porouscarbon materials with designed porearchitecture. Adv Mater, 2008, 20:1.6. Do D D, Adsorption analysis:equilibria and kinetics, Imperial College Press, 1998.7. Guiqing Lin, Huimin Ding,Daqiang Yuan, Baoshan Wang, and Cheng Wang, J. Am. Chem. Soc.2016, 138,3302-3305.8. Matthias Thommes, KatsumiKaneko, Alexander V. Neimark, James P. Olivier, Francisco Rodriguez-Reinoso, Jean Rouquerol and Kenneth S. W. Sing.Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surfacearea and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem.2015 87(9-10): 1051-10699. 甄开吉,王国甲,毕颖丽, 李荣生, 阚秋斌. 催化作用基础科学出版社，2005.