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比表面积仪技术常识问题解答(一)
1. 脱附曲线为什么常在吸附曲线之上?
脱附曲线是在样品吸附到压力并达到吸附平衡后,逐渐降低压力得到的,脱附曲线上的“吸附量”(即纵坐标),表示的是经脱附后,仍然存留在样品表面的吸附总量,如果脱附不完全,那么脱附后的存留量必然大于该压力下的吸附量,因此脱附曲线在吸附曲线之上,会形成滞后环,滞后环的宽窄与孔的形状有关。
2. Po是怎么测出来的?
把一个充满纯氮气的管子(所谓Po管),插入液氮中,使其氮气压力上升至Po以上若干Kpa ,停止加压,管中的压力必然下降并停留在某一特定的压力下,即停留在气-液平衡的压力下,这个压力便是Po,即氮在液氮温度下的饱和蒸汽压。测试过程包括抽真空,充入纯氮气,浸入液氮杯,加压至120Kpa左右,停止加压,记录压力值。
Po值与液氮温度有一定的对应关系,因此可以通过测量液氮的温度,根据Po与温度的对照表或计算公式,得到Po ,从对应表中看到,温度相差0.1°C时,Po相差约1.2Kpa ,因此通过温度测量来得到Po ,其精度不高。
3. Po受哪些因素影响?
Po是指气-液处于平衡时的压力,在表面化学中,蒸气压由平衡时的温度、压力、物质特性决定。对于氮气而言,在液氮温度下的饱和蒸气压,与液氮的特性(纯度)、温度有关,使用的液氮是暴露于空气中的,因此,液氮的特性又受大气压力的影响。
4. 气体压力、分压、相对压力有何差别?
气体作用于物质表面(器壁或固体表面)的压力就是气体压力,这里不管气体的组分;分压是相对于两种以上的混合气而言的,混合气中某种气体的分压,是该气体占总气体的百分比乘以气体压力;相对压力,指某气体分压与某一特定压力(例如大气压力、饱和蒸汽压等)的比值 ,例如氮气分压与其饱和蒸汽压的比值,即P/Po ,就是相对压力;
5. 什么是多层吸附?
已吸附了气体分子的表面发生再吸附的现象,这是因为吸附了一层气体分子后,如果固体表面对气体分子的引力仍大于气体与气体之间的引力,那么吸附可继续发生在第二层、第三层---,多层吸附是比较普遍的。
6. 等温吸附的压力为什么不能超过Po?
当吸附平衡压力大于Po时,氮气将产生液化。
7. 什么是比表面?
泛指单位质量固体(多指粉末或多孔体)的总表面积。
8. 什么是BET比表面?什么是BET方程?
当固体表面吸附了一层氮分子时,比表面Sg=4.36Vm,Vm为单层饱和吸附量,但是气体的吸附绝大多数属于多层吸附,针对多层吸附理论,布鲁诺(Brunauer)、埃麦特(Emmet)和泰勒(Teller)三位科学家,于1938年根据气体吸附的热力学与动力学提出了描述多分子层吸附理论的BET方程:
P/V(Po-P)= 1/VmC+(C-1)P/VmCPo
BET方程在氮分压(相对压力)0.05~0.35范围中,是一个直线方程,他表明,在此范围中选择3~5个压力点,测量出实际氮气吸附量,运用BET方程作图,可得到一条直线,直线的斜率与截距之和的倒数,即为单层饱和吸附量Vm ,进而可求出比表面,用这种方法得到的比表面也称为BET比表面;
9. 什么是单点BET比表面?
由于BET方程作图得到的直线,其截距一般很小(接近于0),因此,可以近似认为该直线是通过原点的,那么可以在0.05~0.35范围中,只选一点(一般选择0.2),测出实际吸附量,把BET图中的这一点与原点相连,这条直线斜率的倒数即为单层饱和吸附量,进而求出BET比表面,称为单点BET比表面,他是多点BET比表面积的简化法和近似值,一般偏差在5%左右。
10. 什么是外表面?是怎样测得的?
在橡胶中,用炭黑充当补强剂,补强的效果与炭黑的比表面相关,炭黑是一种多孔的纳米粉体,分析认为,当孔径小于~2nm时,橡胶的分子进不到孔中,那么孔径小于~2nm的孔的内表面积对补强不起作用,因此把直径为2nm以下孔的内表面积扣除后的表面积称为外表面积,测试方法是T图法,采用Carbon blake 标准等温线模型。
11. BET比表面、外表面和微孔内表面是什么关系?
BET比表面为总表面积,外表面积是把直径为2nm以下孔的内表面积扣除后的表面积,因此BET比表面 - 外表面 = 微孔内表面
12. 直接对比法得出的比表面与BET比表面有何差别?
直接对比法是与已知比表面的标准样品对比得到的,他忽略了被测样品与标准样品吸附特性的差别,换句话说他没有考虑多层吸附的特点,只有当被测样品和标准样品的吸附特性完全相同时,测量才是准确的,否则会有显著地偏差;而BET比表面则是考虑了多层吸附的特点,得出的比表面具有普遍的适用性。
13. 氮吸附法的比表面是如何计算出来的?
当粉体的表面吸附了一层氮分子时,粉体的比表面积(Sg)可由下式求出:
Sg = NσVm / 22400W
式中: Vm:样品表面单层吸附量(ml);
N: 阿佛加德罗常数(6.023×10-23),1mol气体的分子数;
σ:每个氮分子所占的横截面积(0.162nm2);
W: 粉体样品的质量(g);
(注:在标准状态下,1mol气体的体积为22.4L或22400ml)。
把N和σ具体数据代入上式,得到氮吸附比表面积的基本公式如下:
Sg = 4.36Vm / W
14. 何谓单层饱和吸附量?
固体表面完全为单分子层覆盖时吸附质的量
15. 吸附常数C是什么?为什么不应为负值?
吸附常数C:与材料吸附特性相关的常数,反应的是材料的吸附热,任何材料都是有吸附能力的,所以吸附热应是大于0的。不可能为负值。
16. 什么是孔径分布?
是指材料中存在着不同孔径的孔,按孔径大小分成级,每一级孔的体积的分布规律即孔径分布,可以用积分分布(每一级孔的体积及其累计)和微分分布(孔体积随孔径的变化率)来描述。
17. 什么是微分分布?什么是积分分布?
积分分布:材料各尺寸区间孔的体积及其累计;
微分分布:它表示孔体积随孔径的变化率;
18. 平板形(缝隙形)孔的体积、表面积和厚度(宽度)是何关系?
V =S W / 2 其中,V孔体积 、 S孔内表面积、 W缝隙宽度
19. 氮吸附法是怎样测出孔径分布的?
氮气可以被吸附进入孔中,吸附规律发现,当氮气相对压力大于0.4时,吸入孔中的氮气产生凝聚成为液氮,吸附量大大增加,尺寸小的孔,在较低的压力下即可产生毛细凝聚现象,尺寸大的孔则需在较高的压力下被液氮填充,产生毛细凝聚的压力与孔径符合凯尔文方程,按孔径大小把孔分为若干级,测出等温吸附曲线,每个压力变化时的吸附增量,可计算出对应尺寸孔的体积,即以孔中充满的液氮量等效为孔的体积,由此计算出孔体积随孔径的变化,即孔径分布。
20. 什么是*可几孔径?
在孔径的微分分布曲线上,往往会出现一个峰值,该峰值对应的孔径称为*可几孔径,他表示这一尺寸范围的孔,出现的几率,是具有特征意义的孔径。
21. BJH吸附介孔分析和脱附介孔分析有何差别?
通过吸附等温线测定并用BJH方法计算出的介孔孔径分布称为BJH吸附介孔分析,通过脱附等温线测定并用BJH方法计算出的介孔孔径分布称为BJH脱附介孔分析,由于存在着滞后环,脱附曲线与吸附曲线不重合,因此,两种孔径分布也会有明显差别,特别是微分分布的*可几孔径相差较大。
22. 在介孔分析的每一步中,孔的内表面积是怎么求得的?
在介孔分析的每一步中,得到一个孔体积增量(V),同时对应一个平均孔径(D或W),
相对于圆柱形孔时,其孔的内表面积(S)由下式求得: S = 4V/D;
相对于缝隙形孔时,其孔的内表面积(S)由下式求得: S = 2V/W;
23. 氮吸附法孔径分析的范围是多少?
氮吸附法孔径分析的范围是:0.35nm-2nm的微孔、2nm-500nm的介孔及大孔。
24. 微孔的孔径分析与介孔和大孔分析有何不同?
硬件上的不同:
微孔孔径分析,需要二级涡轮分子泵,氮气相对压力P/P0才能够达到10-7-10-8的要求,才能实现超微孔(0.35nm-0.7nm)的精确分析;同时,需要小量程、高精度压力传感器(10 torr、1 torr或0.1 torr)的合理使用。介孔、大孔孔径分析,仅需要机械泵及1000 torr大量程压力传感器即可实现。
软件上的不同:
微孔孔径分析,理论模型一般使用的是HK法、SF法,及DFT法。介孔、大孔孔径分析,理论模型一般使用的是BJH法。
25. 微孔材料的吸附特性是什么样的?
微孔材料,在低压时即发生微孔吸附,吸附量大,微孔吸附时孔内分子扩散速度较慢,吸附平衡时间较长,吸附等温线在低相对压力P/P0时就急剧上升,呈现I型等温线。
26. 动态法中,氦气的作用是什么?
氦气主要起到载气的作用,氦气在液氮温度下不被吸附,同氮气一起形成混合气体,可以起到调节氮气浓度的作用,从而调节氮气分压。同时,氦气与氮气的导热系数相差很大,在经过热导池检测器时,氮气浓度能够很容易的被准确检测出来。
27. 动态法中用氢气代替氦气是否可行?
氢气代替氦气作为载气是可行的,因为氢气是*轻的气体,导热系数,热导池的灵敏度会更高。但是,因为氢气是易燃易爆气体,使用时一定要注意室内通风。
30. 什么是孔隙率?
关于孔隙率的定义是多种多样的。
对于块状固体,孔隙率主要包括“开孔孔隙率”及“闭孔孔隙率”,开孔孔隙率是指块体材料内相通的所有微小孔隙的总体积与该块体材料的总体积的比值,闭孔孔隙率(又称“盲孔孔隙率”)是指块体材料内不相通的所有微小孔隙的总体积与该块体材料的总体积的比值。
对于粉体材料,孔隙一般包括粉体本身的开孔,及粉体与粉体之间的间隙。
31. 振实粉体的孔隙率如何求得?
振实粉体的孔隙,一般包括粉体本身的开孔,及粉体与粉体之间的间隙。首先测定出振实粉体的振实密度ρ振,及粉体的真密度ρ真,则振实粉体的孔隙率为(1-ρ振/ρ真)*100%。
32. 样品管为什么要用石英玻璃做成?
石英玻璃基本上不吸附氮分子,而且,石英玻璃导热较好,管内样品的热平衡速度较快,此外膨胀系数小,激冷激热时不易碎裂,能耐-196℃液氮温度的低温,耐磨,。
33. 芯棒起什么作用?
静态容量法氮吸附仪,实验过程中,样品室处于一个不均匀的温度场,样品管下端浸入在-196℃液氮中,在样品管中装入芯棒,能有效的减小样品室的体积,尤其是液氮面附近样品管中的体积,能有效的减小因液氮面变化引起的样品室温度的变化。
34. 如何判别两根芯棒的体积相同?
芯棒都是用来装入样品管上端口中的,石英玻璃材质的,长短粗细基本上是一致,如果两根芯棒的重量相同,那么它们的体积就应该相同。
原创作者:北京精微高博科学技术有限公司