淺述全自動比表面積及孔分析儀的應(yīng)用

孫麗 梁蕾

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院國家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心，江西景德鎮(zhèn)333001）

0引言

本文主要介紹的是美國麥克公司的ASAP 2020M全自動比表面積及孔分析儀在硅系介孔材料中的應(yīng)用。該儀器可用于單點、多點BET比表面積、Langmuir比表面積、BJH中孔、孔分布、孔大小及總孔體積和面積、密度函數(shù)理論（DFT）、吸附熱及平均孔大小等的多種數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于陶瓷、藥品、催化劑、油漆和涂料、航天隔絕材料、燃料電池等的研究。

介孔材料是一種孔徑介于微孔與大孔之間的具有巨大比表面積和三維孔道結(jié)構(gòu)的新型材料。介孔材料的研究和開發(fā)在催化，吸附，分離及光，電，磁等許多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值。所以利用全自動比表面積及孔分析儀可以方便快捷的測出樣品的比表面積，為進(jìn)一步的研究提供客觀依據(jù)。

1 工作原理

比表面積及孔分析儀是采用等溫物理吸附的靜態(tài)容量法，即全自動低溫氮吸附法。在分析測試時，將樣品置于液氮溫度下，通入含有氮氣的混合氣體，采用的氣體是氦氮混合氣，氮氣為被吸附氣體，氦氣為載氣。當(dāng)樣品進(jìn)儀器進(jìn)行液氮浴時，儀器內(nèi)溫度降低至-195.8攝氏度，氮分子能量降低，在范德華力作用下被固體表面吸附，達(dá)到動態(tài)平衡，形成近似于單分子層的狀態(tài)。由于固體表面對氣體的吸附作用，混合氣中的一部分氮氣就會被樣品吸附，其濃度便會降低，而物質(zhì)的比表面積數(shù)值與它的吸附量成正比，儀器內(nèi)置的檢測器檢測到這一變化后，根據(jù)吸附的氮分子量，相應(yīng)的比表面積便可計算得到。

吸附過程：由于固體表面對氣體的吸附作用，混合氣中的一部分氮氣會被樣品吸附，其氮氣濃度便會降低，儀器內(nèi)置的檢測器檢測到這一變化后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會將相應(yīng)的電壓變化曲線轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過計算機(jī)運算，從而出現(xiàn)一個倒置的吸附峰，等吸附飽和后氦氮混合氣的比例又恢復(fù)到原比值，基線重新走平。

脫附過程：吸附過程完畢后，等基線完全走平就可進(jìn)行脫附操作。脫附操作其實是一個解除液氮浴的過程，在常溫下吸附到物質(zhì)表面的氮分子會解吸出來，從而使混合氣體的氮氣濃度升高，儀器內(nèi)置的檢測器檢測到這一變化后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會將相應(yīng)的電壓變化曲線轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過計算機(jī)運算，從而出現(xiàn)一個正置的脫附峰，等脫附過程結(jié)束后，氦氮混合氣的比例又恢復(fù)到原比值，基線重新走平。

2 主要技術(shù)參數(shù)及特點

圖1 ASAP2020M全自動比表面積及孔分析儀Fig.1 Accelerated Surface Area and Porosimetry System（ASAP 2020M）

ASAP2020M比表面積及孔分析儀（如圖1）有兩個獨立的抽真空系統(tǒng)，一個用于制備樣品，抽去樣品中的水氣等雜質(zhì)；一個是用于分析樣品。這兩個獨立的裝置使制備樣品和分析樣品可以同時進(jìn)行，不發(fā)生任何干擾。它還有一個可以自動控制的升降架，使液氮緩緩上升或下降，整個操作自動化。ASAP2020M特有的等溫絕熱套使被包裹的樣品管在整個分析過程中都保持基本不變的溫度，保證在液氮溫度下工作的正常進(jìn)行和分析的準(zhǔn)確性。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Testing results

圖2 介孔材料1Fig.2 BET plotofmesoporous specimen#1

圖3 介孔材料2Fig.3 BET p lotofmesoporous specimen#2

圖4 介孔材料3Fig.4 BET p lotofmesoporous specimen#3

圖3 介孔材料2Fig.5 BET p lotofmesoporous specimen#4

2.1 技術(shù)參數(shù)

（1）比表面積范圍：0.0005m2/g（Kr測量）至無上限；

（2）孔徑分析范圍：3.5埃至5000埃（氮氣吸附），微孔區(qū)段的分辨率為0.2埃；

（3）孔體積最小檢測：0.0001cc/g。

2.2 主要特點

（1）單點、多點BET比表面積；

（2）Langmuir比表面積；

（3）BJH中孔、孔分布、孔大小及總孔體積和面積；

（4）標(biāo)準(zhǔn)配置密度函數(shù)理論（DFT/NLDFT），DA，DR，HK，MP等微孔分析方法；

（5）吸附熱及平均孔徑，總孔體積；

（6）提供了測定H2氣體絕對壓力的吸附等溫線，增強(qiáng)了在燃料電池方面的應(yīng)用。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

圖6 介孔材料Fig.6 BET plotofmesoporous specimen#5

被檢測的樣品可以是沸石，碳材料，分子篩，二氧化硅，氧化鋁，土壤，黏土，有機(jī)金屬化合物骨架結(jié)構(gòu)等，測試范圍很寬。本實驗主要針對5組不同合成條件下的硅系介孔材料進(jìn)行測試，得到結(jié)果如圖2-圖6。

3.2 結(jié)果分析

通過表1的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，介孔材料3具有較大表面積，單點BET相對誤差最小，可滿足實驗要求，為下一步的研究提供了可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

ASAP2020M全自動比表面積及孔分析儀測試結(jié)果準(zhǔn)確，操作自動化和智能化，大大節(jié)省了測試時間。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，比表面積及孔徑的性能測定不僅在介孔材料中適用，在其它許許多多的行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用，如電磁材料、熒光材料、陶瓷、粉末冶金、吸附劑、化妝品、食品等。對顆粒材料來講，比表面積正逐漸成為重要的物理性能。所以，比表面積及孔分析儀的應(yīng)用也正逐漸成為重要的測試方法之一。

1陳金妹.ASAP2020比表面積及孔隙分析儀的應(yīng)用.分析儀器，2009，3

2盧曉英.物理吸附分析法測定礦物材料比表面的應(yīng)用研究.現(xiàn)代儀器，2000，3

3沈輝.BET理論在ZrO2粉體微觀表征中的應(yīng)用.江蘇陶瓷，1997，4