◆六類吸附等溫線類型
幾乎每本類似參考書(shū)都會提到,前五種是BDDT(Brunauer-Deming-Deming-ler)分(fēn)類,先由此四人将大(dà)量等溫線歸爲五類,階梯狀的第六類爲Sing增加。每一(yī)種類型都會有一(yī)套說法,其實可以這麽理解,以相對壓力爲X軸,氮氣吸附量爲Y軸,再将X軸相對壓力粗略地分(fēn)爲低壓(0.0-0.1)、中(zhōng)壓(0.3-0.8)、高壓(0.90-1.0)三段。那麽吸附曲線在:
低壓端偏Y軸則說明材料與氮有較強作用力(I型,II型,Ⅳ型),較多微孔存在時由于微孔内強吸附勢,吸附曲線起始時呈?型;低壓端偏X軸說明與材料作用力弱(???型,Ⅴ型)。
中(zhōng)壓端多爲氮氣在材料孔道内的冷凝積聚,介孔分(fēn)析就來源于這段數據,包括樣品粒子堆積産生(shēng)的孔,有序或梯度的介孔範圍内孔道。BJH方法就是基于這一(yī)段得出的孔徑數據;
高壓段可粗略地看出粒子堆積程度,如?型中(zhōng)如zui後上揚,則粒子未必均勻。平常得到的總孔容通常是取相對壓力爲0.99左右時氮氣吸附量的冷凝值。
◆幾個常數
1.液氮溫度77K時液氮六方密堆積氮分(fēn)子橫截面積0.162平方納米,形成單分(fēn)子層鋪展時認爲單分(fēn)子層厚度爲0.354nm
2.标況(STP)下(xià)1mL氮氣凝聚後(假定凝聚密度不變)體(tǐ)積爲0.001547mL
例:如下(xià)面吸脫附圖中(zhōng)吸附曲線p/p0zui大(dà)時氮氣吸附量約爲400 mL,則可知(zhī)總孔容=400*0.001547=400/654=約0.61mL
3.STP每mL氮氣分(fēn)子鋪成單分(fēn)子層占用面積4.354平方米
例:BET方法得到的比表面積則是S/(平方米每克)=4.354*Vm,其中(zhōng)Vm由BET方法處理可知(zhī)Vm=1/(斜率+截距)
◆以SBA-15分(fēn)子篩的吸附等溫線爲例加以說明
此等溫線屬IUPAC 分(fēn)類中(zhōng)的IV型,H1滞後環。從圖中(zhōng)可看出,在低壓段吸附量平緩增加,此時N2 分(fēn)子以單層到多層吸附在介孔的内表面,對有序介孔材料用BET方法計算比表面積時取相對壓力p/p0 = 0.10~0.29比較适合。在p/p0 =0.5~0.8左右吸附量有一(yī)突增。該段的位置反映了樣品孔徑的大(dà)小(xiǎo),其變化寬窄可作爲衡量中(zhōng)孔均一(yī)性的根據。在更高p/p0時有時會有第三段上升,可以反映出樣品中(zhōng)大(dà)孔或粒子堆積孔情況。由N2-吸脫附等溫線可以測定其比表面積、孔容和孔徑分(fēn)布。對其比表面積的分(fēn)析一(yī)般采用BET(Brunauer-Emmett-ler)方法。孔徑分(fēn)布通常采用BJH(Barrett-Joiner- Halenda)模型。
◆Kelvin方程
Kelvin方程是BJH模型的基礎,由Kelvin方程得出的直徑加上液膜厚度就是孔道直徑。彎曲液面曲率半徑R‘=2γVm/[RT*ln(p0/p)],若要算彎曲液面産生(shēng)的孔徑R,則有R’Cosθ=R,由于不同材料的接觸角θ不同,下(xià)圖給出的不考慮接觸角情況彎曲液面曲率半徑R‘和相對壓力p/po對應圖:
◆滞後環
1.滞後環的産生(shēng)原因
這是由于毛細管凝聚作用使N2 分(fēn)子在低于常壓下(xià)冷凝填充了介孔孔道,由于開(kāi)始發生(shēng)毛細凝結時是在孔壁上的環狀吸附膜液面上進行,而脫附是從孔口的球形彎月液面開(kāi)始,從而吸脫附等溫線不相重合,往往形成一(yī)個滞後環。還有另外(wài)一(yī)種說法是吸附時液氮進入孔道與材料之間接觸角是前進角,脫附時是後退角,這兩個角度不同導緻使用Kelvin方程時出現差異。當然有可能是二者的共同作用,個人傾向于認同前者,至少直覺上(玄乎?)前者說得通些。
2.滞後環的種類
滞後環的特征對應于特定的孔結構信息,分(fēn)析這個比較考驗對Kelvin方程的理解。
H1是均勻孔模型,可視爲直筒孔便于理解。但有些同學在解譜時會說由H1型滞後環可知(zhī)SBA-15具有有序六方介孔結構,這是錯誤的說法。H1型滞後環可以看出有序介孔,但是否是六方、四方、三角就不知(zhī)道了,六方是小(xiǎo)角XRD看出來的東西,這是明顯的張冠李戴;
H2比較難解釋,一(yī)般認爲是多孔吸附質或均勻粒子堆積孔造成的,多認爲是 “ink bottle”,等小(xiǎo)孔徑瓶頸中(zhōng)的液氮脫附後,束縛于瓶中(zhōng)的液氮氣體(tǐ)會驟然逸出;
H3與H4相比高壓端吸附量大(dà),認爲是片狀粒子堆積形成的狹縫孔;
H4也是狹縫孔,區别于粒子堆集,是一(yī)些類似由層狀結構産生(shēng)的孔。
3.中(zhōng)壓部分(fēn)有較大(dà)吸附量但不産生(shēng)滞後環的情況
在相對壓力爲0.2-0.3左右時,根據Kelvin方程可知(zhī)孔半徑是很小(xiǎo),有效孔半徑隻有幾個吸附質分(fēn)子大(dà)小(xiǎo),不會出現毛細管凝聚現象,吸脫附等溫線重合,MCM-41孔徑爲2、3個nm時有序介孔吸脫附并不出現滞後環。
◆介孔分(fēn)析
通常采用的都是BJH模型(Barrett-Joiner- Halenda),是Kelvin方程在圓筒模型中(zhōng)的應用,适用于介孔範圍,所得結果比實際偏小(xiǎo)。
針對MCM-41、SBA-15孔結構分(fēn)析的具更高精度的KJS(Kruk-Jaroniec-Sayari)及其修正方法,KJS出來時用高度有序的MCM41爲材料進行孔分(fēn)析,結合XRD結果,得出了比BJH有更高精度的KJS方程,适用孔徑分(fēn)析範圍在2-6.5nm之間。後來又(yòu)做了推廣,使之有較大(dà)的适用範圍,可用于SBA-15孔結構(4.6-30nm)的表征。
◆關于t-Plot和αs方法
是對整條吸附或脫附曲線的處理方法,t-Plot可理解爲thickness圖形法,以氮氣吸附量對單分(fēn)子層吸附量作圖,凝聚時形成的吸附膜平均厚度是平均吸附層數乘以單分(fēn)子層厚度(0.354nm),比表面積=0.162*單分(fēn)子層吸附量*阿伏加德羅常數。樣品爲無孔材料時,t-Plot是一(yī)條過原點直線,當試樣中(zhōng)含有微孔,介孔,大(dà)孔時,直線就會變成幾段折線,需要分(fēn)别分(fēn)析。αs方法中(zhōng)的下(xià)标是standard的意思,Sing提出用相對壓力爲0.4時的吸附量代替單分(fēn)子層吸附量,再去(qù)作圖,用這種方法先要一(yī)個标準,或是在儀器上做一(yī)個标樣,處理方法和圖形解釋兩種方法是類似的。兩則之間可以相互轉化,t=0.538αs
◆微孔分(fēn)析
含微孔材料的微孔分(fēn)析對真空度,控制系統,溫度傳感器有不同的要求,測試時間也比較長,時間可能是普通樣品的十倍甚至二十倍。由于微孔尺寸和探針分(fēn)子大(dà)小(xiǎo)相差有限,部分(fēn)微孔探針分(fēn)子尚不能進入,解析方法要根據不同的樣品來定,需要時可借鑒相關文獻方法來參考,再則自己做一(yī)批樣品采用的是一(yī)種分(fēn)析方法,結果的趨勢多半是正确的。現在用一(yī)種模型來分(fēn)析所有範圍的孔徑分(fēn)布還是有些困難,非線性密度泛涵理論(NLDFT)聽(tīng)說是可以,但論文中(zhōng)采用的較少。