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  • 發布時間:2021-04-09 14:10 原文鏈接: BET吸附,我們要如何對待


    1. BET吸附理論   注:BET吸附理論建立在Langmuir吸附理論的基礎上。   BET吸附模型的基本假設為:   (1)吸附位在熱力學和動力學意義上是均一的(吸附劑表面性質均勻),吸附熱與表面覆 蓋度無關;   (2)吸附分子間無相互作用,沒有橫向相互作用;   (3)吸附可以是多分子層的,且不一定完全鋪滿單層后再鋪其它層。   (4)第一層吸附是氣體分子與固體表面直接作用,其吸附熱(E1)與以后各層吸附熱不同;而第二層以后各層則是相同氣體分子間的相互作用,各層吸附熱都相同,為吸附質的液化熱(EL).   BET方程(這里只介紹二常數BET公式):   公式變型:   2.BET公式的使用范圍   通常情況下,BET公式只適用于處理相對壓力(P/P0)約為0.05 - 0.35之間的吸附數據。這是因為BET理論的多層物理吸附模型限制所致。當相對壓力小于0.05時,不能形成多層物理吸附,甚至連單分子物理吸附層也遠未建立,表面的不均勻性就顯得突出;而當相對壓力大于0.35時,毛細凝聚現象的出現又破壞了多層物理吸附。   3. BET公式中常數C的意義   C是與吸附熱E1和EL有關的常數。   BET公式中有(C-1)這一項,因此C的值會決定吸附等溫線的形狀。   (1)C < 1時, E1 << EL,在等溫線起始段,等溫線凸向相對壓力 P/P0 軸,對應IUPAC吸附等溫線分類中的III型和V型(指0.05 < P/P0 < 0.35這一部分)。   (2)C > 2時,等溫線起始段(P/P0不大時)凸向吸附量V軸, 出現一明顯的拐點, C值越大(E1 >> EL),等溫線起始段越向 V 軸凸出, 對應IUPAC吸附等溫線分類中的II和 IV型(指0.05 < P/P0 < 0.35這一部分)。   (3)當C=2 時,等溫線起始段近似為直線,拐點消失。   注:在BET公式適用的范圍內(0.05 < P/P0 < 0.35 ),C值在3 - 1000之間。因此, II, IV型吸附等溫線是理想的測試平臺。   一般地, 以氮氣為吸附質, 在金屬、聚合物和有機物上, C值在2 - 50 之間; 氧化物和二氧化硅上, C值約50 - 200; 在活性炭和分子篩等強吸附劑上, C 值大于200。   4. 氣體吸脫附實驗一般用來可以得到哪些實驗數據?   樣品的比表面積,孔容積(pore volume)和孔徑分布(pore size distribution)。   5. 為什么常用N2來做吸脫附實驗?   氣體吸脫附實驗對吸附質分子的要求:吸附質分子應該盡量小、接近球形而且對表面惰性。滿足要求的分子有:氮、氪和氬等。   N2的優勢:價格便宜,高純度的N2易于獲取,且N2在大多數表面上都可以生成意義明確的II、 IV 型吸附等溫線,并且分子截面積得到公認,所以最為常用。   注:為什么需要II、IV型吸附等溫線?參見第3條。   6. 什么情況下不能夠用N2作為吸附質?   (1)N2可以和樣品表面發生強相互作用或者化學吸附;   (2)N2與樣品吸附太弱(C < 1),無法形成II、IV型吸附等溫線;   (3)樣品比表面積很小,吸附引起的壓力變化過小(P/P0 < 0.05),采用N2作為吸附質時系統誤差大,此時應該采取飽和蒸汽壓更低的氪和氬作為吸附質。   7. BET法測樣品的比表面積(specific surface area):   從第1條中我們知道可以采用BET公式求取Vm和C。而從Vm可以算出固體表面鋪滿單分子層時所需的分子數。若已知每個分子的截面積,就可以求出吸附劑的總表面積和比表面積。   注:通過N2吸脫附實驗一般得到的是樣品的比表面積,即單位質量樣品的表面積,通用單位為m2/g.   8. 孔容積(pore volume)和孔徑分布(pore size distribution)   孔結構的測定一般有氣體吸附法和壓汞法等,氣體的物理吸附應用于直徑小于50 nm的孔,而壓汞法可應用于直徑大于約3.5 nm的孔系統。對于分子不能進入的封閉孔(closed pore)可用小角 X 射線散射或小角中子散射等方法測定。   注意:不要用氣體吸脫附實驗測試孔徑大于50 nm的樣品。   9. 氣體吸附法測試樣品的孔容積和孔徑部分——中孔BJH計算法   (1)基本原理   (2)計算范圍:IV型等溫線上有回滯環,表明中孔的存在。孔徑分布可以根據等溫線的吸附支或者脫附支數據計算。數據的下限取回滯環的閉合點(P/P0=0.42 - 0.50),對應的孔半徑在 1.7 - 2 nm。數據的上限是IV型等溫線在高相對壓力一側回滯環閉合后的平臺;但若此平臺不易分辨,通常P/P0上限可取0.95, 相應的孔徑為20 nm。相對壓力上限不易取得太高,因為當P/P0接近1時,相對壓力變化1%,孔徑變化近100%, 壓力測量微小的誤差就會導致孔徑計算的巨大誤差。   (3)計算方法:通過Kelvin公式求出P/P0 所對應發生毛細凝聚的毛細管半徑rk。在此P/P0條件下,所有比rk值小的孔全部被毛細凝聚的吸附質充滿,因此,吸附等溫線上與此相對壓力P/P0對應的吸附體積Vr,即為半徑小于等于此rk全部孔的總容積。作Vr - rk關系曲線,即為孔容積對孔半徑的積分分布曲線。在積分分布曲線上用作圖法求取當孔半徑增加Δr時吸附量增加的體積ΔVr,求出ΔVr /Δr(或者采用數值方法求出 dVr /dr),以ΔVr/Δr對rk作圖,即為孔半徑的微分分布曲線。微分分布曲線最高峰對應的半徑成為最可幾半徑。   (4)BJH計算公式在Kelvin公式上的進步:Kelvin公式所算得的rk不是真實的孔徑rp, 因為吸附過程當毛細凝聚現象在孔半徑為rp的孔中發生時, 孔壁上已近覆蓋了厚度為t的吸附層,毛細凝聚實際是在吸附膜所圍成的“孔心”發生,rp= rk+t。BJH法將這一點考慮在內,算出來的孔容積和孔徑分布更加準確。   10. 一般情況下,孔徑計算應該采用脫附支數據,原因有以下5點:   (1)對于理想的兩端開口的圓筒形孔,吸附支和脫附支重合;   (2)對于兩端開口的圓柱形孔,吸附支對應的彎液面曲率是圓柱面,而脫附支對應的才是在孔口處形成的球形彎液面;   (3)平板孔和由片狀粒子形成的狹縫形孔,吸附時不發生毛細凝聚,而脫附支數據才反映真實的孔隙;   (4)對于口小腹大的“墨水瓶”孔等帶有咽喉孔口的孔(喉部尺寸小于空腔尺寸),吸附 是一個孔空腔內逐漸填滿的過程,根據吸附支數據可得到空腔內的孔徑分布,但是脫附支能反映喉部的孔徑(這里為FDU-12等三維介孔材料的窗口與孔徑的計算提供了理論依據)。而多孔催化劑的內擴散速率恰恰是被孔道最窄的喉部尺寸限制,而不是擴展的空腔尺寸。因此脫附支是孔大小更好的度量。特別是當交織的孔結構具有幾條平行的喉管時,脫附支反映的是其中最粗的喉管尺寸,而這恰好又能正確地反映孔結構對催化劑內擴散的限制作用。   (5)吸附時,在毛細凝聚前可能需要一定程度的過飽和, Kelvin 公式所假定的熱力學平 衡可能達不到。還有脫附時毛細孔內的凝聚液與液體本體性質接近,而吸附時,物理力(特別是第一層)與液體本體分子間力不一樣,這時Kelvin公式使用液體本體表面張力與液體的摩爾體積比較勉強。

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