U područjima znanosti o materijalima, katalize, energije i okoliša, specifična površina jedan je od važnih parametara za mjerenje učinka materijala. Učinkovitost adsorpcije aktivnog ugljena, aktivnost katalizatora i izvedba skladištenja energije materijala elektrode često su usko povezani s njihovom površinom. Metoda mjerenja površine koja se trenutno najviše koristi je BET testiranje specifične površine. Ovaj će članak pružiti detaljnu analizu BET testiranja s nekoliko aspekata, uključujući načela, pripremu uzorka, obradu podataka i mjere opreza.
1、 NačeloBET testiranje
1.1 Fenomen adsorpcije i specifična površina
Na površini krutih materijala, molekule plina će prianjati na površinu materijala u obliku fizičke adsorpcije, tvoreći pojedinačne ili višestruke molekularne slojeve. Kada molekule plina postignu ravnotežnu adsorpciju na površini materijala, postoji određeni odnos između količine adsorpcije i relativnog tlaka plina. Na temelju ovog fenomena predložena je BET teorija.
1.2 BET jednadžba
Teorija BET (Brunauer Emmett Teller) predložena je 1938. godine, a njezina srž je izvođenje metode izračuna za specifičnu površinu kroz adsorpcijsko ponašanje plinova na čvrstim površinama u više molekularnih slojeva.
BET jednadžba je u obliku:
koji:
(V) Kapacitet adsorpcije pod relativnim tlakom (P/Po)
(Vm): Kapacitet adsorpcije jednog molekularnog sloja
(P) Adsorpcijski tlak
(Po): Tlak zasićene pare
(C) Konstanta, koja odražava razliku između topline adsorpcije i topline isparavanja
Nakon dobivanja niza podataka o adsorpciji kroz pokuse, može se iscrtati BET linearni grafikon (obično odabirom (P/Po) u rasponu od 0,05-0,35), a Vm i C mogu se izračunati iz nagiba i presjeka, čime se u konačnici dobiva specifična površina.
1.3 Izbor plina
Najčešće korišteni mediji za adsorpciju su:
Dušik (77 K) → Najčešći izbor
Plin argon (87 K) → pogodan za mikroporozne materijale
Ugljični dioksid (273 K) → pogodniji za mjerenje ultramikroporama
2、 Priprema uzorka
BET testiranje zahtijeva izuzetno visoku prethodnu obradu uzoraka, a nepravilna priprema može izravno dovesti do odstupanja rezultata.
2.1 Tretman otplinjavanjem
Svrha: Ukloniti vlagu i plinove nečistoće s površine uzorka kako bi se izbjegao utjecaj na podatke o adsorpciji.
Metoda: Vakuum ili inertni plinovi visoke čistoće (kao što su helij i dušik) obično se koriste za otplinjavanje.
Odabir temperature: Postavite prema svojstvima materijala, općenito u rasponu od 80 ℃ -350 ℃.
Polimerni ili organski skeletni materijali: Niska temperatura (80-120 ℃) kako bi se izbjegla strukturna oštećenja
Anorganski oksidi i ugljični materijali: mogu se koristiti na višim temperaturama (200-350 ℃)
2.2 Veličina uzorka
Obično je potrebno 50-300 mg uzorka, ovisno o instrumentu i vrsti materijala. Materijali u prahu trebaju biti ravnomjerno raspršeni kako bi se izbjegao loš prijenos topline uzrokovan nakupljanjem.
2.3 Mjere opreza
Izbjegavajte onečišćenje zraka: nakon što je otplinjavanje završeno, treba ga prenijeti na kraj analize što je prije moguće kako bi se smanjila apsorpcija vlage.
Održavajte strukturnu stabilnost: za porozne MOF-ove i druge materijale, temperaturu treba pažljivo kontrolirati kako bi se izbjeglo kolaps kristala.
Ponovljivost: pokušajte testirati istu seriju uzoraka pod istim uvjetima što je više moguće kako biste poboljšali usporedivost podataka.
3、 Eksperimentalni koraci BET testiranja
3.1 Dobivanje izoterme adsorpcije desorpcije
Punjenje cijevi za uzorke → fiksirano u bazenu za uzorke
Tretman otplinjavanjem → Osigurajte čistoću površine
Hlađenje hladnom zamkom → tekući dušik (77 K) ili druge metode hlađenja
Postupno povećavajte tlak → zabilježite količinu adsorpcije plina pod različitim relativnim tlakovima
Kompletan ciklus → Dobijte kompletnu izotermu adsorpcije i desorpcije
3.2 BET interval odabira
Obično se postavlja u rasponu od 0,05-0,35 P/P0
Mora zadovoljiti BET kriterij dosljednosti
4、 Obrada podataka i izračunavanje
4.1 Izračun adsorpcijskog kapaciteta jednog molekularnog sloja
Linearnim uklapanjem BET jednadžbe mogu se dobiti nagib (k) i presjek (b), te se može izračunati sljedeće:
4.2 Izračun specifične površine
S obzirom na površinu molekularnog presjeka plina (molekule dušika su približno 0,162 nm²), tada:
koji:
(NA): Avogadrova konstanta
(σ) Površina presjeka molekule plina
(m) : Kvaliteta uzorka
4.3 Analiza izotermi adsorpcije i desorpcije
Uz BET specifičnu površinu, informacije se također mogu dobiti iz izotermi i histereznih petlji:
Distribucija otvora blende: izračunata pomoću BJH ili DFT metoda
Volumen pora: procijenjen iz kapaciteta adsorpcije pod visokim relativnim tlakom
Tip strukture pora: izoterme I-VI i krivulje histereze odgovaraju različitim strukturama pora
5、 Vrste i analiza strukture pora
Osim specifične površine, BET testiranje u kombinaciji s BJH, DFT i drugim metodama također može pružiti informacije o raspodjeli veličine pora.
Mikropore (<2 nm)
Mezopore (2-50 nm)
Makropore (>50 nm)
Otvor blende je veći od 50 nm.
U adsorpciji dušika, obično pokazuje izotermu tipa II, a adsorpcijski kapacitet nastavlja rasti s povećanjem tlaka.
Same makropore ne pridonose puno specifičnoj površini, ali igraju ulogu "kanala prijenosa" u kompozitnim poroznim strukturnim materijalima, što može poboljšati učinkovitost difuzije.
Otvor blende je između 2-50 nm.
Pokazuje krivulju tipa IV u izotermi adsorpcije i desorpcije, s jasnom petljom histereze.
Široko prisutan u materijalima kao što su silicij, glinica, mezoporozni ugljik itd.
Prednosti: Pogodan za prijenos molekularne mase, obično se koristi kao nosač katalizatora.
Veličina pora manja od 2 nm, pruža ultra-visoku specifičnu površinu.
Obično se nalazi u aktivnom ugljenu, zeolitu, MOF-ima itd.
Adsorpcija dušika na 77 K može biti ograničena difuzijom, a adsorpcija CO ₂ potrebna je kao dodatak mjerenju.
6、 Uobičajeni problemi i mjere opreza
Neispravan odabir BET intervala: Prenizak ili previsok relativni tlak može dovesti do odstupanja ugradnje.
Pretjerano ili nedovoljno otplinjavanje:
Pretjerano → urušavanje strukture materijala
Nedovoljno → površinske zaostale nečistoće, adsorpcijski kapacitet je lažno visok
Pretjerana aktivnost uzorka: Neki katalizatori mogu stupiti u interakciju s dušikom tijekom procesa testiranja, što zahtijeva posebnu pozornost.
Poteškoće u usporedbi rezultata: Različiti laboratoriji mogu koristiti različite uvjete predtretmana, tako da prilikom objavljivanja podataka treba navesti temperaturu otplinjavanja, vrijeme i vrstu adsorbiranog plina.
7、 Područja primjene BET testiranja
Razvoj katalizatora
Što je veća specifična površina, to je više aktivnih mjesta, a katalitička aktivnost je obično veća.
energetski materijali
Učinkovitost pohrane energije elektrodnih materijala za litijeve baterije i kondenzatore usko je povezana s njihovom specifičnom površinom i strukturom pora.
Adsorbenti i materijali za odvajanje
Učinkovitost adsorpcije aktivnog ugljena, zeolita, MOF-a itd. izravno ovisi o specifičnoj površini.
upravljanje okolišem
Za adsorpciju i uklanjanje zagađivača kao što su VOC i ioni teških metala potrebni su materijali visoke specifične površine.
BET testiranje specifične površine, kao klasična i praktična metoda karakterizacije, primjenjuje se u području znanosti o materijalima više od 80 godina. Razumnom pripremom uzorka, odabirom intervala i obradom podataka, istraživači mogu dobiti točne informacije o površini i strukturi pora, pružajući čvrstu podršku podacima za dizajn materijala i optimizaciju performansi.
SAT NANO je najbolji dobavljač zanano i mikro materijalu Kini možemo isporučiti metalni prah, karbidni prah, oksidni prah i tako dalje, mi ne isporučujemo samo proizvode, već isporučujemo i različite usluge testiranja kao što su SEM, BET test, ako imate bilo kakvih upita, slobodno nas kontaktirajte na sales03@satnano.com
