氮氣吸附法在測定材料比表面積和孑L徑分布方面的應(yīng)用原理

謝瀟

摘要：比表面積和孔徑分布代表著材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，是表征多孔材料特性的兩個重要參數(shù)。氮氣吸附法是一種研究固體材料結(jié)構(gòu)特性的有效手段。從理論出發(fā)，介紹了氮氣吸附法在測定材料比表面積和孔徑分布方面的應(yīng)用原理。

關(guān)鍵詞：氮氣吸附法;孔徑分布;比表面積;應(yīng)用原理

中圖分類號：TB30

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.09.003

1 引言

材料的比表面積指的是單位質(zhì)量土體的總表面積，一般來說多孔材料的比表面積代表其所有孔隙表面積的總和。其值的大小與顆粒形態(tài)和外觀相關(guān)?？讖椒植际菃挝毁|(zhì)量材料孔隙體積隨孔徑的變化率。比表面積和孔徑分布一定程度上代表著材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，并且對材料的許多宏觀特性有很大的影響[1-3]。因而，準確測定材料的比表面積和孔徑分布對于材料的宏觀物理力學(xué)特性等具有十分重要的意義。

多孔材料的比表面積和孔隙形貌的測定方法主要有壓汞法、氣體吸附法、流體通過法、X射線層析攝像（照相）法和顯微觀測統(tǒng)計法等[3]。后兩者是先獲得微結(jié)構(gòu)照片，然后再利用圖像分析處理軟件等對獲得的圖片進行處理和統(tǒng)計，得到土體的比表面積和孔徑分布特征，缺點是對圖像處理技術(shù)的要求比較高，過程復(fù)雜。氣體吸附法、壓汞法、流體通過法可從實驗測試結(jié)果中直接對數(shù)據(jù)進行處理，得到孔徑分布及比表面積等。而壓汞法所產(chǎn)生的廢汞若處理不當會對環(huán)境造成一定的破壞;流體通過法受多種因素的影響，一般測得的結(jié)果偏低;而氮氣吸附法的應(yīng)用范圍廣，是一種研究固體材料結(jié)構(gòu)特性的重要且有效手段[4]。該方法借助氮分子作為一個標尺，來度量材料的表面積與孔容[5]。可用于測量大約0.1 -2 000 m2/g范圍內(nèi)的比表面積以及3- 200 nm范圍內(nèi)的孔徑[5]。其測試原理科學(xué)，測試過程可靠，在多孔材料的比表面積及孔徑分布測定中發(fā)揮了重要的作用。

2 氮氣吸附法測量比表面積原理

吸附法依據(jù)的是氣體分子的吸附特性。液氮溫度下（- 196.15℃），氮氣通過單純的物理吸附，吸附于吸附劑的表面，等溫度恢復(fù)到室溫，吸附的氮氣會脫附出來[6]?？梢约俣ㄎ皆谖絼┍砻娴牡獨庹檬且粋€分子層，如果知道每一個氮分子的橫截面積，則氮氣吸附的比表面積S_g公式為：

在式（2）中，比表面積S_g的單位為cm2。

從上面的描述可以看出，如果需要計算某材料的比表面積，須知道氮氣在其孔隙內(nèi)表面的單層吸附量V_m。實際在大多數(shù)情況下，氮氣在材料的孔隙中并非是單層吸附，也就是材料表面吸附的氮氣可能是兩層或者更多分子層。

可將第一層吸附熱假定為定值，第二及以上各層的吸附熱為另一定值，在這種條件下，通過對氣體吸附過程進行熱力學(xué)與動力學(xué)分析，得出氮氣在材料的孔隙中真實吸附的體積V與單層吸附體積V_m之間的關(guān)系，即為著名的BET方程，具體公式為：

4 結(jié)論

氮氣吸附法的測試原理是依據(jù)氣體在固體表面的吸附特性，該方法是一種測量多孔材料比表面積和孔徑分布的最常用且有效的手段，適合測試材料的微中孔隙，以分析材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。

參考文獻：

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[3]劉培生.多孔材料比表面積和孔隙形貌的測定方法[J].稀有金屬材料與工程，2006，35 （Supp12）： 25-29.

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