ในสาขาวัสดุศาสตร์ การเร่งปฏิกิริยา พลังงาน และสิ่งแวดล้อม พื้นที่ผิวจำเพาะเป็นหนึ่งในตัวแปรสำคัญในการวัดประสิทธิภาพของวัสดุ ประสิทธิภาพการดูดซับของถ่านกัมมันต์ กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา และประสิทธิภาพการเก็บพลังงานของวัสดุอิเล็กโทรด มักมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพื้นที่ผิวของพวกมัน วิธีการวัดพื้นที่ผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบันคือการทดสอบพื้นที่ผิวจำเพาะของ BET บทความนี้จะให้การวิเคราะห์โดยละเอียดของการทดสอบ BET จากหลายแง่มุม รวมถึงหลักการ การเตรียมตัวอย่าง การประมวลผลข้อมูล และข้อควรระวัง
1、 หลักการของการทดสอบเดิมพัน
1.1 ปรากฏการณ์การดูดซับและพื้นที่ผิวจำเพาะ
บนพื้นผิวของวัสดุที่เป็นของแข็ง โมเลกุลของก๊าซจะเกาะติดกับพื้นผิวของวัสดุในรูปแบบของการดูดซับทางกายภาพ ก่อตัวเป็นชั้นโมเลกุลเดี่ยวหรือหลายชั้น เมื่อโมเลกุลของก๊าซถึงการดูดซับที่สมดุลบนพื้นผิวของวัสดุ จะมีความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างปริมาณการดูดซับและความดันสัมพัทธ์ของก๊าซ ทฤษฎี BET ถูกเสนอตามปรากฏการณ์นี้
1.2 สมการเดิมพัน
ทฤษฎี BET (Brunauer Emmett Teller) ถูกเสนอในปี 1938 และแกนกลางของมันคือการหาวิธีการคำนวณสำหรับพื้นที่ผิวจำเพาะผ่านพฤติกรรมการดูดซับของก๊าซบนพื้นผิวแข็งหลายชั้นโมเลกุล
สมการ BET อยู่ในรูปของ:
ที่:
(V) ความสามารถในการดูดซับภายใต้ความดันสัมพัทธ์ (P/Po)
(Vm): ความสามารถในการดูดซับชั้นโมเลกุลเดี่ยว
(P) แรงดันการดูดซับ
(Po): ความดันไออิ่มตัว
(C) ค่าคงที่ สะท้อนความแตกต่างระหว่างความร้อนจากการดูดซับและความร้อนจากการกลายเป็นไอ
หลังจากได้รับชุดข้อมูลการดูดซับผ่านการทดลองแล้ว กราฟเชิงเส้น BET สามารถพล็อตได้ (โดยปกติจะเลือก (P/Po) ในช่วง 0.05-0.35) และสามารถคำนวณ Vm และ C ได้จากความชันและจุดตัด เพื่อให้ได้พื้นที่ผิวจำเพาะในท้ายที่สุด
1.3 การเลือกก๊าซ
สื่อดูดซับที่ใช้กันทั่วไปคือ:
ไนโตรเจน (77 K) → ตัวเลือกที่พบบ่อยที่สุด
ก๊าซอาร์กอน (87 K) → เหมาะสำหรับวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก
คาร์บอนไดออกไซด์ (273 K) → เหมาะกว่าสำหรับการตรวจวัดแบบ Ultramicropore
2、 การเตรียมตัวอย่าง
การทดสอบ BET จำเป็นต้องมีการบำบัดตัวอย่างล่วงหน้าที่สูงมาก และการเตรียมที่ไม่เหมาะสมสามารถนำไปสู่การเบี่ยงเบนผลลัพธ์ได้โดยตรง
2.1 การบำบัดก๊าซ
วัตถุประสงค์: เพื่อกำจัดความชื้นและก๊าซเจือปนออกจากพื้นผิวของตัวอย่าง เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อข้อมูลการดูดซับ
วิธีการ: ก๊าซเฉื่อยในสุญญากาศหรือความบริสุทธิ์สูง (เช่น ฮีเลียมและไนโตรเจน) มักใช้ในการไล่ก๊าซ
การเลือกอุณหภูมิ: ตั้งค่าตามคุณสมบัติของวัสดุ โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 80 ℃ -350 ℃
วัสดุโครงกระดูกโพลีเมอร์หรืออินทรีย์: อุณหภูมิต่ำ (80-120 ℃) เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อโครงสร้าง
อนินทรีย์ออกไซด์และวัสดุคาร์บอน: สามารถใช้ที่อุณหภูมิสูงกว่า (200-350 ℃)
2.2 ขนาดตัวอย่าง
โดยทั่วไปต้องใช้ตัวอย่าง 50-300 มก. ขึ้นอยู่กับเครื่องมือและประเภทวัสดุ วัสดุที่เป็นผงควรกระจายอย่างสม่ำเสมอเพื่อหลีกเลี่ยงการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีที่เกิดจากการสะสม
2.3 ข้อควรระวัง
หลีกเลี่ยงมลพิษทางอากาศ: หลังจากการไล่ก๊าซเสร็จสิ้น ควรถ่ายโอนไปยังจุดสิ้นสุดการวิเคราะห์โดยเร็วที่สุดเพื่อลดการดูดซึมความชื้น
รักษาเสถียรภาพของโครงสร้าง: สำหรับ MOF ที่มีรูพรุนและวัสดุอื่นๆ ควรควบคุมอุณหภูมิอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการยุบตัวของผลึก
ความสามารถในการทำซ้ำ: พยายามทดสอบตัวอย่างชุดเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกันให้มากที่สุดเพื่อปรับปรุงความสามารถในการเปรียบเทียบข้อมูล
3、 ขั้นตอนการทดลองทดสอบ BET
3.1 การรับไอโซเทอร์มการดูดซับของการดูดซับ
การโหลดหลอดตัวอย่าง → แก้ไขในสระตัวอย่าง
การกำจัดก๊าซ → ตรวจสอบความสะอาดของพื้นผิว
การระบายความร้อนด้วยกับดักเย็น → ไนโตรเจนเหลว (77 K) หรือวิธีการทำความเย็นแบบอื่น
เพิ่มความดันทีละน้อย → บันทึกปริมาณการดูดซับก๊าซภายใต้แรงดันสัมพัทธ์ที่ต่างกัน
ครบวงจร → ได้รับไอโซเทอร์มการดูดซับโดยสมบูรณ์
3.2 การเลือกช่วงเดิมพัน
มักจะติดตั้งในช่วง 0.05-0.35 P/P0
ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ความสอดคล้องของ BET
4、 การประมวลผลข้อมูลและการคำนวณ
4.1 การคำนวณความสามารถในการดูดซับของชั้นโมเลกุลเดี่ยว
ด้วยการปรับสมการ BET ให้เหมาะสมเชิงเส้น จะได้ความชัน (k) และจุดตัด (b) และสามารถคำนวณได้ดังต่อไปนี้:
4.2 การคำนวณพื้นที่ผิวจำเพาะ
เมื่อพิจารณาจากพื้นที่หน้าตัดโมเลกุลของก๊าซ (โมเลกุลไนโตรเจนมีค่าประมาณ 0.162 นาโนเมตร²) ดังนั้น:
ที่:
(NA): ค่าคงที่ของ Avogadro
(σ) พื้นที่หน้าตัดของโมเลกุลก๊าซ
(m) : คุณภาพตัวอย่าง
4.3 การวิเคราะห์ไอโซเทอร์มการดูดซับของการดูดซับ
นอกจากพื้นที่ผิวจำเพาะของ BET แล้ว ข้อมูลยังสามารถได้รับจากไอโซเทอร์มและลูปฮิสเทรีซิส:
การกระจายรูรับแสง: คำนวณโดยใช้วิธี BJH หรือ DFT
ปริมาตรรูพรุน: ประมาณจากความสามารถในการดูดซับภายใต้ความดันสัมพัทธ์สูง
ประเภทของโครงสร้างรูพรุน: ไอโซเทอร์มของ I-VI และกราฟฮิสเทรีซิสสอดคล้องกับโครงสร้างของรูพรุนที่แตกต่างกัน
5、 ประเภทและการวิเคราะห์โครงสร้างรูพรุน
นอกเหนือจากพื้นที่ผิวจำเพาะแล้ว การทดสอบ BET ร่วมกับ BJH, DFT และวิธีการอื่นๆ ยังสามารถให้ข้อมูลการกระจายขนาดรูพรุนได้อีกด้วย
ไมโครพอร์ (<2 นาโนเมตร)
เมโสพอร์ (2-50 นาโนเมตร)
Macropores (>50 นาโนเมตร)
รูรับแสงมากกว่า 50 นาโนเมตร
ในการดูดซับไนโตรเจน มันมักจะแสดงไอโซเทอร์มประเภท II และความสามารถในการดูดซับยังคงเพิ่มขึ้นตามความดันที่เพิ่มขึ้น
Macropores เองไม่ได้มีส่วนช่วยมากนักต่อพื้นที่ผิวจำเพาะ แต่พวกมันมีบทบาทเป็น "ช่องส่งสัญญาณ" ในวัสดุโครงสร้างที่มีรูพรุนแบบคอมโพสิต ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแพร่กระจายได้
รูรับแสงอยู่ระหว่าง 2-50 นาโนเมตร
โดยแสดงเส้นโค้งประเภท IV ในไอโซเทอมการดูดซับของการดูดซับ โดยมีวงฮิสเทรีซิสที่ชัดเจน
พบกันอย่างแพร่หลายในวัสดุ เช่น ซิลิกา อลูมินา คาร์บอนมีโซพอรัส ฯลฯ
ข้อดี: มีประโยชน์สำหรับการถ่ายโอนมวลโมเลกุล ซึ่งมักใช้เป็นตัวพาตัวเร่งปฏิกิริยา
ขนาดรูพรุนน้อยกว่า 2 นาโนเมตร ให้พื้นที่ผิวจำเพาะสูงเป็นพิเศษ
พบได้ทั่วไปในถ่านกัมมันต์, ซีโอไลต์, MOFs ฯลฯ
การดูดซับไนโตรเจนที่ 77 K อาจถูกจำกัดด้วยการแพร่กระจาย และจำเป็นต้องมีการดูดซับ CO ₂ เพื่อเสริมการวัดค่า
6. ปัญหาและข้อควรระวังทั่วไป
การเลือกช่วง BET ไม่เหมาะสม: แรงดันสัมพัทธ์ต่ำหรือสูงเกินไปอาจทำให้เกิดความเบี่ยงเบนที่เหมาะสมได้
การไล่ก๊าซมากเกินไปหรือไม่เพียงพอ:
การพังทลายของโครงสร้างวัสดุมากเกินไป →
ไม่เพียงพอ → สิ่งเจือปนที่ตกค้างบนพื้นผิว ความสามารถในการดูดซับสูงเกินจริง
กิจกรรมของตัวอย่างมากเกินไป: ตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวอาจมีปฏิกิริยากับไนโตรเจนในระหว่างกระบวนการทดสอบ ซึ่งต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ
ความยากลำบากในการเปรียบเทียบผลลัพธ์: ห้องปฏิบัติการที่แตกต่างกันอาจใช้เงื่อนไขก่อนการบำบัดที่แตกต่างกัน ดังนั้นเมื่อเผยแพร่ข้อมูล ควรระบุอุณหภูมิในการไล่แก๊ส เวลา และประเภทของก๊าซดูดซับ
7、 พื้นที่การใช้งานของการทดสอบ BET
การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา
ยิ่งพื้นที่ผิวจำเพาะมีขนาดใหญ่เท่าใด ตำแหน่งที่มีการเคลื่อนไหวก็จะยิ่งมากขึ้น และกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยามักจะสูงขึ้น
วัสดุพลังงาน
ประสิทธิภาพการเก็บพลังงานของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมและตัวเก็บประจุมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพื้นที่ผิวจำเพาะและโครงสร้างรูพรุน
ตัวดูดซับและวัสดุแยก
ประสิทธิภาพการดูดซับของถ่านกัมมันต์ ซีโอไลต์ MOF ฯลฯ ขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวจำเพาะโดยตรง
ธรรมาภิบาลสิ่งแวดล้อม
จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงในการดูดซับและกำจัดสารมลพิษ เช่น VOCs และไอออนของโลหะหนัก
การทดสอบพื้นที่ผิวจำเพาะของ BET ซึ่งเป็นวิธีการแสดงลักษณะเฉพาะแบบคลาสสิกและใช้งานได้จริง ได้ถูกนำมาใช้ในสาขาวัสดุศาสตร์มานานกว่า 80 ปี ด้วยการเตรียมตัวอย่างที่เหมาะสม การเลือกช่วงเวลา และการประมวลผลข้อมูล นักวิจัยสามารถรับข้อมูลพื้นที่ผิวและโครงสร้างรูพรุนที่แม่นยำ โดยให้การสนับสนุนข้อมูลที่มั่นคงสำหรับการออกแบบวัสดุและการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน
SAT NANO เป็นซัพพลายเออร์ที่ดีที่สุดของวัสดุนาโนและไมโครในประเทศจีน เราสามารถจัดหาผงโลหะ ผงคาร์ไบด์ ผงออกไซด์และอื่นๆ เราไม่เพียงแต่จัดหาผลิตภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังจัดหาบริการทดสอบต่างๆ เช่น SEM, การทดสอบ BET หากคุณมีคำถามใดๆ โปรดติดต่อเราที่ sales03@satnano.com
