ISO 15901-22022 用汞孔隙率测定法和气体吸附法测定固体材料的孔径分布和孔隙率.第2部分用气体吸附法分析纳米孔标准立项发展报告

气体吸附法分析纳米孔标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PoreSizeDistributionandPorosityofSolidMaterialsbyMercuryPorosimetryandGasAdsorption—Part2:AnalysisofNanoporesbyGasAdsorption摘要随着纳米科学与技术的迅猛发展，纳米多孔材料在能源存储、催化、环境保护、生物医药及先进制造等领域的应用日益广泛，对材料孔径分布和孔隙率的精确表征提出了更高要求。国际标准ISO15901-2:2022《用汞孔隙率测定法和气体吸附法测定固体材料的孔径分布和孔隙率第2部分：用气体吸附法分析纳米孔》由国际标准化组织（ISO）发布，是现行有效的纳米孔分析领域核心国际标准。本标准系统规定了采用气体物理吸附法测定纳米尺度孔径分布的方法原理、仪器要求、实验程序和数据处理方法，覆盖微孔和介孔范围的全面表征。本报告从标准立项背景、技术内容框架、与国内外标准体系的关系、主要参与单位、应用前景及未来发展方向等方面进行系统阐述，旨在为相关领域科研人员、标准化工作者及产业应用人员提供全面参考。关键词：气体吸附法；纳米孔；孔径分布；孔隙率；国际标准；ISO15901AbstractWiththerapidadvancementofnanoscienceandnanotechnology,nanoporousmaterialshavebeenextensivelyappliedinenergystorage,catalysis,environmentalprotection,biomedicine,andadvancedmanufacturing.InternationalStandardISO15901-2:2022,"Poresizedistributionandporosityofsolidmaterialsbymercuryporosimetryandgasadsorption—Part2:Analysisofnanoporesbygasadsorption,"publishedbytheInternationalOrganizationforStandardization(ISO),servesasthecurrentcoreinternationalstandardinthefieldofnanoporeanalysis.Thisstandardsystematicallyspecifiesthemethodprinciples,instrumentrequirements,experimentalprocedures,anddataprocessingmethodsfordeterminingporesizedistributioninthenanoscalerangeusinggasphysicaladsorptiontechniques,coveringcomprehensivecharacterizationofmicroporesandmesopores.Thisreportprovidesasystematicelaborationonthestandard'sbackground,technicalframework,relationshipwithdomesticandinternationalstandards,participatingorganizations,applicationprospects,andfuturedevelopmentdirections.Keywords:Gasadsorptionmethod;Nanopores;Poresizedistribution;Porosity;Internationalstandard;ISO15901一、引言多孔材料作为一类具有重要应用价值的功能材料，其孔隙结构特征——包括孔径大小、孔径分布、孔隙率及比表面积等，直接影响材料的吸附、分离、催化、储能等性能。纳米尺度（1–100nm）孔结构的精确表征，不仅是材料科学基础研究的关键环节，更是新材料研发与质量控制的重要技术支撑。气体吸附法是表征纳米孔材料孔结构的经典方法，基于气体分子在固体表面的物理吸附行为，通过测定吸附等温线并结合理论模型计算孔径分布。相较于压汞法等其它技术，气体吸附法特别适用于微孔（<2nm）和介孔（2–50nm）范围的孔结构分析，具有测量范围宽、精度高、不破坏样品等显著优势。然而，不同实验室之间、不同仪器平台之间的测试结果往往存在较大差异，亟需统一的国际标准予以规范。ISO15901-2:2022正是在这一背景下由国际标准化组织正式发布的权威技术规范。该标准作为ISO15901系列标准的重要组成部分，取代了此前版本，在技术内容上进行了系统修订与更新，为全球范围内纳米孔材料的吸附法表征提供了统一的技术依据。二、标准概述2.1标准基本信息ISO15901-2:2022由国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）发布，是现行的纳米孔分析领域国际标准。该标准的完整名称为《用汞孔隙率测定法和气体吸附法测定固体材料的孔径分布和孔隙率第2部分：用气体吸附法分析纳米孔》（Poresizedistributionandporosityofsolidmaterialsbymercuryporosimetryandgasadsorption—Part2:Analysisofnanoporesbygasadsorption），隶属于粒度分析、筛分分类领域。2.2标准适用范围本标准规定了采用气体吸附法测定固体材料纳米孔孔径分布和孔隙率的方法，适用于孔径范围约为0.4nm至100nm的多孔材料的表征。该范围覆盖了微孔（<2nm）和介孔（2–50nm）及部分大孔（>50nm）区域，能够满足绝大多数纳米多孔材料的测试需求。适用样品包括但不限于：活性炭和碳分子筛、沸石和分子筛、金属有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料（COFs）、介孔二氧化硅和介孔碳、催化剂及催化剂载体、陶瓷和水泥基材料、聚合物膜和多孔聚合物等。2.3标准版本演进本标准为ISO15901-2的第二版，替代了此前版本。相较于旧版，2022版在多个方面进行了技术更新和完善，包括：对吸附理论模型的适用条件进行了更精确的界定；增加了对新一代吸附分析仪器（如具有微孔增强功能的超高真空系统）的技术要求；更新了数据处理和孔径计算的方法学建议；强化了实验条件选择和结果报告的要求，使标准更具可操作性和指导性。三、标准技术内容3.1方法原理气体吸附法测定孔径分布的基本原理基于毛细冷凝现象和吸附理论。在恒定温度下，通过测定不同相对压力（p/p₀）下气体在固体表面的吸附量，获得吸附-脱附等温线。对于介孔材料，当相对压力达到一定值后，气体在孔内发生毛细冷凝，冷凝压力与孔径之间存在定量关系——孔径越小，冷凝所需相对压力越低。这一关系可由开尔文方程（Kelvinequation）定量描述。对于微孔材料，吸附机理以微孔填充为主，需采用基于统计力学或分子模拟的理论方法（如Horvath-Kawazoe方法、NLDFT/GCMC方法等）进行孔径分析。3.2主要技术指标吸附等温线测量是标准的核心内容。标准中对气体饱和蒸气压p₀的测定给出了明确指引，可根据实际情况选择直接测定、相对压力接近1处的吸附量外推、非理想气体状态方程计算或氦气标定等方式。在等温线测量时，应注意对温度波动、压差精度、吸附平衡时间进行控制以保证测量结果的准确性。对于多点BET比表面积计算，标准详细规定了相对压力范围、BET方程的应用条件及单层饱和吸附量的确定方法（详见4.2节）。对于孔径分布的确定，在微孔区域推荐采用高分辨率氮气或氩气等温线结合NLDFT/GCMC核磁方法，在介孔区域则推荐采用BJH方法并给出明确的孔径计算准则（详见4.3节）。标准还引入了t-plot方法用于外比表面积和微孔体积的估算，为多级孔材料的全面表征提供了依据。3.3测量条件与仪器要求标准对吸附分析仪器的性能要求主要包括：相对压力测量精度需满足微孔区超低压（可达10⁻⁷–10⁻⁶的相对压力）的准确测定；系统真空度应优于0.13Pa（通常在液氮温度下低于10⁻³Pa）；仪器须配置高精度压力传感器和恒温控制系统。对于吸附质气体的选择，标准规定：氮气（N₂，77.4K）为最常用的吸附质，适用于大多数介孔和部分微孔材料的表征；氩气（Ar，87.3K）在微孔分析中具有优势，因其在微孔中的四极矩效应较小，可获得更精确的微孔尺寸分布；二氧化碳（CO₂，273K）适用于超微孔（<0.7nm）的分析，可加速扩散平衡。吸附质气体纯度要求不低于99.99%，对于微孔分析推荐使用高纯气体（≥99.999%）。3.4样品制备与实验程序标准对样品制备提出了详尽的要求：脱气温度的选择应兼顾去除吸附杂质与保持样品结构完整性；脱气终点判定需在体系压力稳定或质量恒定后进行；标准推荐以质量基准计算吸附量，应在脱气后称量样品质量，记录天平精度及称量条件并加以修正。对于粒度效应，标准要求记录装样方式和样品量，尤其是对于低比表面积样品应适当增加装样量。3.5数据处理与报告标准规定数据处理至少应包括吸附-脱附等温线原始数据的记录与呈现、多点BET比表面积的计算、孔径分布曲线的计算与绘图以及总孔体积的确定（在相对压力0.95–0.99处）。对于报告的编写，标准对报告应包含的关键信息做出了明确规定：样品信息和预处理条件（包含脱气温度和脱气终点判据）、吸附质气体与测量温度、等温线测量参数（如平衡时间、压力点数）、计算方法与理论模型、仪器型号与校准信息。此外，标准还推荐了用于评估微孔材料吸附等温线重复性的判据（如相对压力约10⁻⁵–10⁻¹区域的吸附量重复性应优于±2%），为实验室内部质量控制和实验室间比对提供了统一的评判基准。四、与相关标准的关系4.1ISO15901系列标准的整体框架ISO15901是一个关于多孔材料孔径分布测定的系列标准，由以下部分构成：-第1部分：压汞法（ISO15901-1）-第2部分：气体吸附法分析纳米孔（ISO15901-2，即本标准）-第3部分：气体吸附法分析介孔和大孔（ISO15901-3）可见，第2部分与第3部分同属气体吸附法范畴，但聚焦的孔径范围不同。标准的本次修订解决了第2部分与第3部分原有的范围重叠和不一致问题，将第2部分的范围调整为以微孔为主并兼顾介孔全部范围、第3部分则聚焦于介孔和大孔的分析，二者共同覆盖了气体吸附法从超微孔到大孔的完整孔径分析区间。4.2与中国国家标准的关系我国已将该标准等同采用为推荐性国家标准。其前版曾等同转化为GB/T21650.2，在纳米材料、催化剂、吸附剂等领域得到广泛应用。本标准的修订为相关国家标准制修订工作提供了重要的技术参考，也为下一步国家标准协调一致、同步更新奠定了基础，有助于提升我国纳米孔材料表征的整体水平。4.3与其它国际标准的关系本标准的修订充分参考并协调了以下国际标准和权威技术文件：IUPAC在2015年发布的吸附表征技术建议（物理吸附表征多孔固体比表面积和孔径的推荐报告）、ASTMD4222（气体吸附法测定催化剂和催化剂载体孔径分布的标准试验方法）、以及ISO9277（BET比表面积测定）等，确保方法间的互补性和一致性。五、主要参与单位本标准的修订由国际标准化组织ISO/TC24（粒度分析）技术委员会SC4（粒度表征）分委员会负责组织。其核心技术工作由该分委员会下的工作组承担，各国标准化机构和领域专家深度参与。值得注意的是，日本工业标准调查会（JIS）作为ISO/TC24/SC4的活跃成员，在纳米孔气体吸附分析领域具有长期的技术积累，其国内相关标准和产业实践为本标准的修订提供了重要的参考和支撑。我国也积极参与了本标准的制定和修订工作。全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会（SAC/TC168）对口跟踪研究，并在国家标准转化方面开展了大量工作。部分国内科研机构参与了国际标准制修订的研讨和意见反馈，推动标准内容更加完善。在此，以国内具有代表性的主要参与单位——贝士德仪器科技（北京）有限公司为例，对相关企事业单位在本标准领域的技术贡献和标准化实践做一详细介绍：贝士德仪器科技（北京）有限公司是中国领先的吸附表征仪器制造商，长期专注于气体吸附法孔径和比表面积分析仪器的研发与制造，是国家级高新技术企业。公司主要产品包括高性能比表面积及微孔/介孔分析仪、真密度仪、蒸汽吸附仪等，广泛应用于新材料、新能源、催化、环保等领域。作为中国颗粒学会团体会员单位和全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会的重要合作企业，贝士德仪器积极跟踪ISO15901-2等国际标准的技术动态，将标准要求融入产品设计和性能验证环节。公司及其客户实验室严格参照本标准方法学要求进行仪器性能校准与数据比对，积累了丰富的微孔分析实践数据，为标准方法的验证与推广提供了有力支撑。同时，贝士德仪器多次参与国内气体吸附法相关国家标准的研讨和征求意见工作，推动国际标准成果在我国转化应用，对提升国产吸附仪器的数据可靠性、促进该方法在能源材料、环境材料等领域的规范应用发挥了积极作用。六、标准实施与应用前景6.1应用领域本标准的应用领域极为广泛。在能源领域，超级电容器、电池电极材料和储氢材料——其电化学性能和储氢容量与纳米孔结构密切相关——需依托本标准规定的方法进行孔径分布的系统表征与质量控制。在催化领域，催化剂载体的孔径结构直接影响反应物扩散和活性位点可及性，本标准为新型催化剂载体的研发和评价提供了可靠依据。在环保领域，吸附法被广泛用于废水处理和气体分离，本标准为新型吸附材料（如MOFs、分子筛等）的筛选及性能评估提供了科学方法。在生物医药领域，药物载体的孔结构控制着药物的装载量和释放行为，本标准支持对载体材料的深入结构解析与批次质控。此外，建筑材料的孔隙率测定对评估耐久性、隔热性能等也具有重要意义。6.2实施意义本标准的实施具有多方面的重要意义。首先，统一测试方法——通过规范实验条件、操作程序和数据处理方法，可有效减少不同实验室间的系统误差，提高测试结果的可比性和复现性。其次，提升数据可靠性——标准中对仪器性能验证、校准和样品制备的明确要求，有助于提升各实验室出具数据的可靠度和公信力，为行业提供了可量化的质量基准。第三，促进技术交流——统一的标准语言使全球范围内的科研人员和工程师能够在同一参考框架下交流和比较数据，降低技术沟通成本。第四，支撑产业发展——为纳米材料产业提供科学、公正的质量评价手段，有利于优质产品的市场竞争力提升和新技术的产业化进程加速。6