1、氮气吸附脱附测量比表面积 主讲人：Page 2目录目录简简 介介原原 理理测试方法分方法分类简 介 n比表面比表面积分析分析测试方法有多种，其中气体吸附法因其方法有多种，其中气体吸附法因其测试原理的科学原理的科学性，性，测试过程的可靠性，程的可靠性，测试结果的一致性，在国内外各行各果的一致性，在国内外各行各业中被中被广泛采用，并逐广泛采用，并逐渐取代了其它比表面取代了其它比表面积测试方法，成方法，成为公公认的最的最权威威测试方法方法。n许多多国国际标准准组织都已将气体吸附法列都已将气体吸附法列为比表面比表面积测试标准，如美国准，如美国ASTM的的D3037，国，国际ISO标准准组织的的ISO-
2、9277。我国比表面。我国比表面积测试有有许多行多行业标准，其中最具代表性的是国准，其中最具代表性的是国标GB/T19587-2004 气体气体吸附吸附BET法法测定固体物定固体物质比表面比表面积。原原 理理Page 4n气体气体吸附法吸附法测定比表面定比表面积原理，是依据气体在固体表面的吸附特性，原理，是依据气体在固体表面的吸附特性，在一定的在一定的压力下，被力下，被测样品品颗粒（吸附粒（吸附剂）表面在超低温下）表面在超低温下对气体分气体分子（吸附子（吸附质）具有可逆物理吸附作用，并）具有可逆物理吸附作用，并对应一定一定压力存在确定的平力存在确定的平衡吸附量。通衡吸附量。通过测定出定出该平衡
3、吸附量，利用理平衡吸附量，利用理论模型来等效求出被模型来等效求出被测样品的比表面品的比表面积。由于。由于实际颗粒外表面的不粒外表面的不规则性，性，严格来格来讲，该方方法法测定的是吸附定的是吸附质分子所能到达的分子所能到达的颗粒外表面和内部通孔粒外表面和内部通孔总表面表面积之之和，如和，如图：原原 理理n氮气因其易氮气因其易获得性和良好的可逆吸附特性，成得性和良好的可逆吸附特性，成为最常用的吸附最常用的吸附质。通。通过这种方法种方法测定的比表面定的比表面积我我们称之称之为“等效等效”比表面比表面积，所，所谓“等效等效”的概念是指：的概念是指：样品的比表面品的比表面积是通是通过其表面密排包覆（吸附
4、的氮气其表面密排包覆（吸附）的氮气分子数量和分子最大横截面分子数量和分子最大横截面积来表征来表征。n实际测定出氮气分子在定出氮气分子在样品表面平衡品表面平衡饱和吸附量（和吸附量（V），通），通过不同理不同理论模型模型计算出算出单层饱和吸附量（和吸附量（Vm），），进而得出分子个数，采用表而得出分子个数，采用表面密排六方模型面密排六方模型计算出氮气分子等效最大横截面算出氮气分子等效最大横截面积(Am)，即可求出，即可求出被被测样品的比表面品的比表面积。计算公式如下：算公式如下：Page 5原原 理理Page 6nsg:被被测样品比表面品比表面积(m2/g)Vm:标准状准状态下氮气分子下氮气分子
5、单层饱和吸附量（和吸附量（ml）Am:氮分子等效最大横截面氮分子等效最大横截面积（密排六方理（密排六方理论值Am=0.162 nm2）W:被被测样品品质量（量（g）N:阿佛加德阿佛加德罗常数常数（6.02x1023）代入上述数据，得到氮吸附法代入上述数据，得到氮吸附法计算比表面算比表面积的基本公式的基本公式测试测试方法分类方法分类n比表面比表面积测试方法有两种分方法有两种分类标准准1.一一是根据是根据测定定样品吸附气体量多少方法的不同，可分品吸附气体量多少方法的不同，可分为：连续流流动法、容量法及重量法，重量法法、容量法及重量法，重量法现在基本上很少采用在基本上很少采用；2.再者再者是根据是根
6、据计算比表面算比表面积理理论方法不同可分方法不同可分为：直接：直接对比法比表面比法比表面积分析分析测定、定、Langmuir法比表面法比表面积分析分析测定和定和BET法比表面法比表面积分析分析测定等。同定等。同时这两种分两种分类标准又有着一定的准又有着一定的联系，系，直直接接对比法只能比法只能采用采用连续流流动法来法来测定吸附气体量的多少，而定吸附气体量的多少，而BET法既可以采用法既可以采用连续流流动法，也可以采用容量法来法，也可以采用容量法来测定吸附气体量。定吸附气体量。Page 7测试方法分类测试方法分类n连续流流动法法连续流流动法是相法是相对于静于静态法而言，整个法而言，整个测试过程是
7、在常程是在常压下下进行，行，吸附吸附剂是在是在处于于连续流流动的状的状态下被吸附。下被吸附。连续流流动法是在气相色法是在气相色谱原原理的基理的基础上上发展而来，藉由展而来，藉由热导检测器来器来测定定样品吸附气体量的多少。品吸附气体量的多少。连续动态氮吸附是以氮气氮吸附是以氮气为吸附气，以氦气或吸附气，以氦气或氢气气为载气气,两种气体按一两种气体按一定比例混合，使氮气达到指定的相定比例混合，使氮气达到指定的相对压力，流力，流经样品品颗粒表面。粒表面。Page 8测试方法分类测试方法分类n当当样品管置于液氮品管置于液氮环境下境下时，粉体材料，粉体材料对混合气中的氮气混合气中的氮气发生物理吸生物理吸
8、附，而附，而载气不会被吸附，造成混合气体成分比例气不会被吸附，造成混合气体成分比例变化，从而化，从而导致致热导系数系数变化，化，这时就能从就能从热导检测器中器中检测到信号到信号电压，即出，即出现吸附峰。吸附峰。n吸附吸附饱和后和后让样品重新回到室温，被吸附的氮气就会脱附出来，形成品重新回到室温，被吸附的氮气就会脱附出来，形成与吸附峰相反的脱附峰。与吸附峰相反的脱附峰。Page 9测试方法分类测试方法分类n吸附峰或脱附峰的面吸附峰或脱附峰的面积大小正比于大小正比于样品表面吸附的氮气量的多少，可品表面吸附的氮气量的多少，可通通过定量气体来定量气体来标定峰面定峰面积所代表的氮气量。通所代表的氮气量。
9、通过测定一系列氮气分定一系列氮气分压P/P0下下样品吸附氮气量，可品吸附氮气量，可绘制出氮等温吸附或脱附曲制出氮等温吸附或脱附曲线，进而求而求出比表面出比表面积。通常利用脱附峰来。通常利用脱附峰来计算比表面算比表面积。n特点特点：连续流流动法法测试过程操作程操作简单，消除系，消除系统误差能力差能力强，同，同时具具有可采用直接有可采用直接对比法和比法和BET方法方法进行比表面行比表面积理理论计算。算。Page 10测试方法分类测试方法分类Page 11n容量法容量法n容量法中，容量法中，测定定样品吸附气体量多少是利用气品吸附气体量多少是利用气态方程来方程来计算。在算。在预抽真空的密抽真空的密闭系
10、系统中中导入一定量的吸附气体，通入一定量的吸附气体，通过测定出定出样品吸脱品吸脱附附导致的密致的密闭系系统中气体中气体压力力变化，利用气化，利用气态方程方程P*V/T=nR换算出算出被吸附气体摩被吸附气体摩尔数数变化。化。测试方法分类测试方法分类n直接直接对比法比法n直接直接对比法比表面比法比表面积分析分析测试是利用是利用连续流流动法来法来测定吸附气体量，定吸附气体量，测定定过程中需要程中需要选用用标准准样品（品（经严格格标定比表面定比表面积的的稳定物定物质）。）。并并联到与被到与被测样品完全相同的品完全相同的测试气路中，通气路中，通过与被与被测样品同品同时进行行吸附，分吸附，分别进行脱附，行
11、脱附，测定出各自的脱附峰。定出各自的脱附峰。Page 12测试方法分类测试方法分类n在相同的吸附和脱附条件下，被在相同的吸附和脱附条件下，被测样品和品和标准准样品的比表面品的比表面积正比于正比于其峰面其峰面积大小。大小。计算公式如下算公式如下：Sx：被：被测样品比表面品比表面积 S0：标准准样品比表面品比表面积，Ax：被：被测样品脱附峰面品脱附峰面积 A0：标准准样品脱附品脱附峰面峰面积Wx：被：被测样品品质量量 W0：标准准样品品质量量Page 13测试方法分类测试方法分类n优点：无需点：无需实际标定吸附氮气量体定吸附氮气量体积和和进行复行复杂的理的理论计算即可求得算即可求得比表面比表面积；
12、测试操作操作简单，测试速度快，效率速度快，效率高高n缺点缺点：当：当标样和被和被测样品的表面吸附特性相差很大品的表面吸附特性相差很大时，如吸附，如吸附层数不数不同，同，测试结果果误差会差会较大大。直接。直接对比法比法仅适用于与适用于与标准准样品吸附特性品吸附特性相接近的相接近的样品品测量，由于量，由于BET法具有更可靠的理法具有更可靠的理论依据，目前国内外依据，目前国内外更普遍更普遍认可可BET法比表面法比表面积测定。定。Page 14测试方法分类测试方法分类nBET比表面比表面积测定定法法nBET理理论计算是建立在算是建立在Brunauer、Emmett和和Teller三人从三人从经典典统计
13、理理论推推导出的多分子出的多分子层吸附公式基吸附公式基础上，即著名的上，即著名的BET方程方程：P:吸附吸附质分分压 P0:吸附吸附剂饱和蒸汽和蒸汽压V:样品品实际吸附量吸附量 Vm:单层饱和吸附量和吸附量C：与：与样品吸附能力相关的常数品吸附能力相关的常数Page 15测试方法分类测试方法分类n由上式可以看出，由上式可以看出，BET方程建立了方程建立了单层饱和吸附量和吸附量Vm与多与多层吸附量吸附量V之之间的数量关系，的数量关系，为比表面比表面积测定提供了很好的理定提供了很好的理论基基础。nBET方程是建立在多方程是建立在多层吸附的理吸附的理论基基础之上，与之上，与许多物多物质的的实际吸附吸
14、附过程更接近，因此程更接近，因此测试结果可靠性更高。果可靠性更高。实际测试过程中，通常程中，通常实测3-5组被被测样品在不同气体分品在不同气体分压下多下多层吸附量吸附量V，以，以P/P0为X轴，为Y为Y轴，由，由BET方程做方程做图进行行线性性拟合，得到直合，得到直线的斜率和截距，从的斜率和截距，从而求得而求得Vm值计算出被算出被测样品比表面品比表面积。Page 16测试方法分类测试方法分类Page 17特点：特点：BET理论与物质实际吸附过程更接近，可测定样品范围广，测试结果准理论与物质实际吸附过程更接近，可测定样品范围广，测试结果准确性和可信度高，特别适合科研及生产单位使用。确性和可信度高，特别适合科研及生产单位使用。谢谢关注谢谢关注Page 18
