如何利用气体吸附技术对粉体进行表征？

发布时间 | 2024-12-16 14:04 分类 | 粉体应用技术点击量 | 419

石英

导读：随着新材料的不断涌现和应用场景的拓展，粉体检测将继续发挥关键作用，而气体吸附技术它基于气体分子在固体表面的吸附行为，在对粉体比表面积、孔容、孔径分布等关键信息的表征上，具有科学可靠...

粉体材料因其独特的物理和化学性质，除了是传统工业的基础原料，也在众多高精尖领域中发挥着举足轻重的作用，而要确保这些材料在各种应用中的性能和质量，对粉体的粒度分布、比表面积、孔隙结构、形态特征、表面性质等关键指标进行精确表征，揭示材料的内在特性至关重要。目前，针对不同检测项目的粉体检测技术层出不穷，其中气体吸附技术通过测量气体分子在固体表面的吸附行为，能够提供关于粉体比表面积、孔容、孔径分布等关键信息，在超细粉体、多孔粉体表征中得到了广泛应用。

安东帕气体吸附分析仪

气体吸附技术用于测量粉体比表面积

比表面积是单位质量物质所具有的总表面积。在催化剂、吸附剂、药物载体等依赖于表面反应的应用中，比表面积是衡量材料表面活性位点数量的重要指标，高比表面积意味着更多的活性位点，能够促进反应物分子的有效接触，对于催化效率、表面吸附能力以及传质速率等表面效应提升有显著的作用。与此相反，在对于需要流动性高的粉体中，高比表面积则意味着拥有更复杂的表面结构，使其在流动过程中更容易发生团聚或桥接。

目前，气体吸附技术因其测试原理的科学性，测试过程的可靠性，测试结果的一致性，成为了粉体材料比表面积的表征技术中应用性最广泛、最精确的方法，许多国际标准组织都已将气体吸附法列为比表面积测试标准。该技术的原理是依据气体在固体表面的吸附特性，在一定的压力下，被测样品颗粒（吸附剂）表面在超低温下对气体分子（吸附质）具有可逆物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量，此时整个材料表面将被单层气体分子层完全覆盖。通过测定出该平衡吸附量，计算得到吸附的气体分子数，又由于单个吸附气体分子的截面积是已知的，因此可计算得到样品的表面积，最终将表面积除以样品的重量即可得出粉体的比表面积。

气体分子吸附形成的过程

气体吸附法用于表征多孔粉体

孔容、孔径分布等是多孔粉体性能的关键指标，其中，孔容是指单位质量或体积材料中孔隙的总体积，孔径分布是指孔容随孔径的变化或者分布。在催化、药物传递、能量储存和转换等应用中，孔容、孔径分布等直接关系到材料的储存能力，以及物质传输效率。通常，微孔(<2nm)有利于气体分子或离子的吸附、中孔(2-50nm)常用于催化剂或化学药品的载体、而大孔(>50nm)则更适用于过滤、分离、能量存储等领域。因此，这些孔结构的表征有利于确定多孔粉体的适用性。

利用气体吸附法对粉体孔结构进行表征，可测孔径范围从0.35nm到100nm以上，涵盖了全部微孔和介孔，甚至延伸到大孔，且相对于其它方法，容易操作，成本较低。其原理是基于毛细冷凝现象和体积等效交换，即孔容积为被测孔中充满的气体量，而孔径分布则可通过测量样品在不同压力条件下（压力P与饱和压力P0）的凝聚气量，绘制出其等温吸附和脱附曲线，利用理论模型求出。通常，等温吸脱附曲线有六种类型。

①Ⅰ型等温线

Ⅰ类等温线的特征是在相对较低的压力下迅速达到吸附量的最大值，随后即使压力继续增加，吸附量也几乎不再变化一般。该类等温线往往反映的是微孔吸附剂（分子筛、微孔活性炭）上的微孔填充现象，饱和吸附值等于微孔的填充体积。

②Ⅱ型等温线

Ⅱ类等温线是发生在金属粉末和石英砂等非多孔性固体表面或大孔、无孔材料上，且与吸附质存在较强相互作用的吸附过程。由于吸附质与表面存在较强的相互作用，在较低的相对压力下吸附量迅速上升，曲线上凸。等温线拐点通常出现于单层吸附附近，随相对压力的继续增加，多层吸附逐步形成，达到饱和蒸汽压时，吸附层无穷多，导致试验难以测定准确的极限平衡吸附值。

③Ⅲ类等温线

这类等温线也对应无孔或者大孔的材料。但与Ⅱ类曲线不同的是，该曲线的出现是由于吸附剂-吸附质的相互作用相对较弱，并且被吸附的分子聚集在无孔或大孔固体表面上最有利的位点周围，因此没有可识别的单层形成，无法出现Ⅱ类等温线中的B点。

④Ⅳ类等温线

IV类曲线属于介孔材料（如沸石、硅胶等）的吸附等温线，常表现为吸附曲线与脱附曲线不一致，可以观察到迟滞回线，最终形成吸附饱和的平台。出现该曲线的原因是：材料首先发生如II类曲线的单层吸附和多层吸附行为，但随后孔壁上的吸附层达到足够厚度时发生毛细凝聚，导致脱附迟滞现象，表现为吸附量随平衡压力增加时测得的吸附线和压力减小时所测得的脱附线在一定的相对压力范围不重合，最终吸附量在接近P/P0=1时形成平台，吸附达到饱和。

⑤Ⅴ类等温线