准确解析BET孔径分析

1、你的孔径分析结果准确吗? 多孔材料的比表面和孔分析理论及技术进展,杨正红 美国康塔仪器公司,多孔材料的孔分析理论及实验技术,公司介绍 背景知识 吸附理论 BET理论的适用范围 全自动一键测定好? 含微孔样品的BET比表面计算 气体吸附法测量孔径分布 经典方法的局限 氩吸附和CO2吸附 NLDFT和QSDFT 化学吸附分析基础,参考资料,ISO 15901:用压汞法和气体吸附法评价材料的孔径分布和孔隙率, 分为3个部分： 第1部分：压汞法 (GB/T 21650.1-2008 ) 第2部分：气体吸附分析介孔大孔法 (GB/T 21650.2-2008) 第3部分：气体吸附分析微孔法 (GB/T

2、21650.3-2008 ),参考资料 Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density.,该书为的第16卷, ISBN 1-4020-2302-2,本书全面覆盖了气体吸附法(物理吸附和化学吸附), 压汞法和密度测量法.作者巧妙地将19章内容分成理论概念和实验指南两个部分.对催化表征具有广泛的指导意义. - JACS (2005)127,14117,参考资料 2010年4月最新文献,本文集中讨论了利用物理吸附对MOF材料进行结构表征时所涉及的特别重要的观点和挑战，以及对吸附性质的

3、解释,返回,多孔材料的孔分析理论及实验技术,公司介绍 背景知识 吸附理论 BET理论的适用范围 全自动一键测定好? 含微孔样品的BET计算 气体吸附法测量孔径分布 经典方法的局限 氩吸附和CO2吸附 NLDFT和QSDFT 分形理论及分形维数 化学吸附-用TCD和质谱同步检测 压汞法测大孔技术,孔的类型,交联孔(开孔),闭孔,盲孔(开孔),通孔(开孔),孔形的分类,筒形孔,空隙或裂缝,锥形孔,裂隙孔,球形孔(墨水瓶孔),孔径的分类 (IUPAC Standard),多孔材料的孔分析理论及实验技术,公司介绍 背景知识 吸附理论 BET理论的适用范围 全自动一键测定好? 含微孔样品的BET计算 气

4、体吸附法测量孔径分布 经典方法的局限 氩吸附和CO2吸附 NLDFT和QSDFT 分形理论及分形维数 化学吸附-用TCD和质谱同步检测 压汞法测大孔技术,吸 附 原 理,“Adsorptive and Adsorbate”,气体吸附,通过固体表面上气体吸附量多少来计算粉体或多孔固体的比表面积 比表面积的测量包括能够到达表面的全部气体，无论外部还是内部。 一般而言，在范德华力作用下，固体吸附气体是弱键作用。 为了使足够气体吸附到固体表面，测量时固体必须冷却，通常冷却到吸附气体的沸点。 通常氮气作为被吸附物，因此固体被冷却到液氮温度 (77.35K),气体吸附过程,4), Copyright Qu

5、antachrome Corporation 2000. All rights reserved.,吸附等温线,在密封体系中，某种材料在特定温度下对气体的吸附量与吸附平衡后的压力有其特殊的对应关系,IV,V,0 P/P0 1.0,I,I,I,II,V,V,V,V,0 P/P0 1.0,0 P/P0 1.0,0 P/P0 1.0,气体吸附过程静态描述,在微孔中孔壁间的相互作用势能是相互重叠的，因此微孔内的物理吸附比在较宽的孔内或外表面的物理吸附要强.,极低压力下的吸附行为(微孔填充) Very Low pressure behavior (micropore filling),相对压力,吸附量,

6、在非常低的相对压力（0.01）下微孔被顺序充填。微孔样品的等温线初始段呈明显大而陡的上升，然后弯曲成平台。用微孔体积和微孔分布表征微孔。,低压下的吸附行为(单层吸附) Low pressure behavior (monolayer),The “knee”,中等压力下的吸附行为(多层吸附) Medium pressure behavior (multilayer),相对高压下的吸附行为(毛细管凝聚) High pressure behavior (capillary condensation),具有微孔的氮吸附等温线 (Autosorb-1MP),由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的

7、 物理吸附等温线分类,I型等温线的特点,在低相对压力区域，气体吸附量有一个快速增长。这归因于微孔填充。 随后的水平或近水平平台表明，微孔已经充满，没有或几乎没有进一步的吸附发生。 达到饱和压力时，可能出现吸附质凝聚。 外表面相对较小的微孔固体，如活性炭、分子筛沸石和某些多孔氧化物，表现出这种等温线。,IV型等温线的特点,IV型等温线由介孔固体产生。 典型特征是等温线的吸附曲线与脱附曲线不一致，可以观察到迟滞回线。 在p/p0值较高的区域可观察到一个平台，有时以等温线的最终转而向上结束(不闭合)。,迟滞回线类型,迟滞回线类型 按照IUPAC 13.2节中的约定，划分出了4种特征类型,H1型迟滞回

8、线可在孔径分布相对较窄的介孔材料，和尺寸较均匀的球形颗粒聚集体中观察到。,迟滞回线类型 按照IUPAC 13.2节中的约定，划分出了4种特征类型,H2型迟滞回线由有些固体，如某些二氧化硅凝胶给出。其中孔径分布和孔形状可能不好确定，比如，孔径分布比H1型回线更宽。,迟滞回线类型 按照IUPAC 13.2节中的约定，划分出了4种特征类型,H3型迟滞回线由片状颗粒材料，如粘土，或由裂隙孔材料给出，在较高相对压力区域没有表现出任何吸附限制。,迟滞回线类型 按照IUPAC 13.2节中的约定，划分出了4种特征类型,H4型迟滞回线出现在含有狭窄的裂隙孔的固体中，如活性炭中见到，在较高相对压力区域也没有表现

9、出吸附限制。,迟滞环与孔形的关系,含有微、介孔的SiO2样品的吸附等温线及解析,N2 77 K isotherm of a typical plugged hexagonal templated silica material (reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry).,气体吸附分析仪,分析方法: 在等温条件下，通过测定不同压力下材料对气体的吸附量, 获得等温吸附线，应用适当的数学模型推算材料的比表面积, 多孔材料的孔容积及孔径分布，多组分或载体催化剂的活性组分分散度,表面积及孔径分布测量可采用多种不同方法，气体吸

10、附法作为一种应用性最广、测量精度最高的方法被普遍接受,Autosorb-1,Quantachrome 比表面和孔隙度分析仪,Monosorb,NOVAe 系列,Autosorb-6B,(经典的)真空-体积测定法 (Classical) Vacuum-Volumetric,需要在降低的温度下,由样品吸附吸附质作为纯吸附作用的函数. Requires that adsorbate be adsorbed by the sample, at some reduced temperature, as a function of pressure of pure adsorptive P/Po 值(相对

11、压力)是通过制造局部真空做到的. P/Po values are achieved by creating conditions of partial vacuum. 在吸附过程中由高精度压力传感器监测压力的改变. High precision and accurate pressure transducers monitor pressure changes due to the adsorption process.,测量方法,真空法,样品池抽真空 测量空体积 (样品池空间) A)用氦气测量 B) 存储器里存有的校对值. 样品冷却到液氮温度，然后氮气注入到已知参考体积(歧管) 的样品池。

12、由于氮气注入空体积而膨胀，导致压力下降，而氮气充满空体积时的压力下降是能够计算的。因此通过压力的下降来计算气体吸附量。, Copyright Quantachrome Corporation 2000. All rights reserved.,真空法-气体体积测量关键,样品的前处理(足够的真空脱气去除微孔中的杂质 ) 通过制造局部真空条件测量P/Po 值. 通过高精准度的压力传感器监测气体吸附过程中的压力变化 (微孔测量需多个压力传感器同时监测Po, 样品管压力和歧管压力). 微孔测量须尽量降低死体积(控制样品管在液氮中的深度.,吸附剂,吸附理论, Copyright Quantachrom

13、e Corporation 2000. All rights reserved.,Irving Langmuir (1881-1957) Graduated as a metallurgical engineer from the School of Mines at Columbia University in 1903 1903-1906 M.A. and Ph.D. in 1906 from Gttingen. 1906-1909 Instructor in Chemistry at Stevens Institute of Technology, Hoboken, New Jersey

14、. 1909 1950 General Electric Company at Schenectady where he eventually became Associate Director 1913 -Invented the gas filled, coiled tungsten filament incandescent lamp. 1919 to 1921, his interest turned to an examination of atomic theory, and he published his concentric theory of atomic structur

15、e . In it he proposed that all atoms try to complete an outer electron shell of eight electrons,/alp/plasma/history.html,1927 Coined the use of the term plasma for an ionized gas. 1935-1937 With Katherine Blodgett studied thin films. 1948-1953 With Vincent Schaefer discovered th

16、at the introduction of dry ice and iodide into a sufficiently moist cloud of low temperature could induce precipitation. 1932 The Nobel Prize in Chemistry for his discoveries and investigations in surface chemistry,吸附剂,朗格缪尔理论, Copyright Quantachrome Corporation 2000. All rights reserved.,多层吸附理论的提出 B

17、ET （1938）,吸附剂,BET 理论, Copyright Quantachrome Corporation 2000. All rights reserved.,比表面积测定原理-BET法,对于上述五种等温线有许多种解释，其中最成功的是BRUMAUER-EMMETT-TELLER三人在1938年提出的多分子层吸附理论 由该理论得到的方程式称为BET公式 P 1 C -1 P V（P0-P）= VmC + VmC * P0 在P/ P0为0.05-0.35范围内可得一直线, 通过斜率和截距可求得Vm(单层饱和吸附量) 比表面积= Vm N0/22400W N0为阿佛加得罗常数, 为一个吸附

18、分子截面积,比表面积计算,B.E.T. 图表,斜率 (s) = C-1 Vm C 截距 (i) = 1 Vm C Vm = 1 s + i Stotal = Vm N Axs 22,414,P/Po,1 w(Po/P)-1,0-1,0-2,0-3, Copyright Quantachrome Corporation 2000. All rights reserved.,Where, N = Avogadros number Axs= cross-sectional area of adsorbate molecule,返回,微孔样品的比表面和孔径分布分析,一个含有微孔的X型分子筛样品,如何从

19、吸附等温线数据计算比表面? - BET 理论的适用范围,有关BET方法应用的评论 Insights on Adsorption Characterization of Metal-Organic Frameworks,总的来说，表面积值是与分形分析有关的具有相对性质的数值，它与实验工作中的方法，条件和所使用的探针分子有关 BET表面积计算分两个步骤： 将物理吸附等温线转化为“BET图”，并推导出单层吸附量Vm 。 计算比表面S，它需要知道探针分子的截面积 最初的BET工作是建立在氮吸附II类等温线上，各种无孔和较宽孔直径的介孔吸附剂在P/P0 0.05-0.3的范围内能给出线型BET图，继而得

20、出比表面值 在严格意义上， BET不能用于微孔吸附剂,用BET法评估微孔材料的比表面 See “The Porous Materials Newsletter Decmber , 2008 ”,BET理论是建立在纳米孔和较大孔材料基础上的,严格地讲,不能用于微孔吸附剂. 但人们越来越忽视来自化学和表面几何学各相异性的问题,导致BET方程被滥用. 因此,在应用BET方程前认清孔隙类型(微孔,中孔还是大孔)就显得越来越重要 问题的关键: 单层-多层的微孔填充在P/P0 0.1以下就完成了,并且无法区分 吸附物质(气体)分子的大小和形状在非常窄的微孔中与BET假设严重偏离, BET表面积明显小于样品

21、总的几何表面积 衡量表面积的有效尺度?(N2的横截面的直径? 但超微孔的孔壁如何算?),N2在0.4nm的微孔中模型,评估微孔材料比表面的气体探针选择,MOF是晶状体，其比表面、孔径分布和孔结构能从相应的晶体图像结构中通过几何学计算出来。但是，实验中MOF样品常常不符合我们通过物理吸附检测所假设的晶体结构 这是因为氮气吸附对微孔的定量评估是不准确的，特别是在超微孔范围内（孔径200 活性碳,分子筛,以微孔为主的样品的比表面计算应该用Langmuir 方程, 但是,BET公式适用性: 目前的问题 -把分析仪器当作测量仪器,BET方程是最流行的计算比表面的公式 所有全自动比表面分析仪都设置了BET

22、 自动测量/自动报告功能(P/P0 0.05-0.35) 包括博士生在内,喜欢 “一键操作”,拿到个数字结果,不知其所以然. 任何样品都照抄文献,用BET计算,不关心回归曲线,不知道C常数 BET被滥用了,含有微孔样品的BET计算举例 - ERM-FD107 (标准值610.6 13.8m2/g),多点BET方程压力点选取原则 See “The Porous Materials Newsletter May , 2008 ”,不要使用太高的相对压力点数据: 不正确的取点导致线性回归系数差 C常数为负值(负截距 “被禁止”) BET取点上限极易通过单点BET的最大值计算得到(见右下图) BET方

23、程不适用的情况: 不是所有样品都可按右图计算找到最大点 某些样品单点BET找不到最大值,而是随压力上升而增加,这意味着P/P00.7nm)中,一些分子被填充在孔的中心,它们不能接触到表面, 这导致了表面积被高估. BET法不能反映真实的微孔材料内部表面积,只能作为一种”表征”或 “等效BET表面积”. BET法对孔宽小于4nm的介孔分子筛表面积评估也存在问题,因为在常规计算比表面的压力范围附近观察到了毛细管凝聚现象, 这将导致BET结果大于实际值.,ZSM-5的“等效BET表面积”表征-氮吸附,ZHP-3的“等效BET表面积”表征-氮吸附,BET 表面积 与 NLDFT 表面积对比:,BET

24、通过计算分子数求总面积( Counts molecules, sums area) 上列所有三个表面积都是相同的 (All cases above, SA the same) Case I BET 50% too low (低估50%表面积) Case II BET Correct (结果正确) Case III BET 33% too high (高估33%表面积) 需要准确反映真实孔形的模型, 孔填充机理 NLDFT Model needed, which reflects actual pore shape, mechanism of pore filling DFT for accur

25、ate determination,在统计力学基础上发展的NLDFT是在分子水平上描述吸附质的结构. 这种方法是当今采用过的最完美的微孔/介孔分析方法. 这种方法具有获得微孔和介孔材料真实比表面的能力,并且可以在微孔-介孔全范围内区分微孔面积和外表面积.,非定域密度函数理论(NLDFT) 更先进的计算比表面的方法,返回,如何选择恰当的孔分布计算模型? - NLDFT 理论的先进性,孔分布分析,孔结构的测定,气体吸附法测定孔径的经典方法是以毛细管凝聚理论为基础的KELVIN公式 (最简化的孔模型):,P平面,P孔,液体在细管中形成弯月面, 在细管中凝聚时所需压力较小, P孔5nm),柱状模型 在

26、壁上有多重吸附,类似液体,须假定液体密度 用吸附与脱附等温线,层层计算法 当 Tcw2,Tcw2 T Th1,continuous pore filling for pore w2,reversible pore condensation for pore w2,pore condensation with hysteresis for pore w2,Th2 T Tcw2,T Th2,Pores w w1 with pore condensation with hysteresis;,Pores in range w2 w1 with reversible pore condensation

27、;,Example,(a) function of temperature in MCM-41 silica sample of pore radius 2.1 nm. (b) function of pore diameter in MCM-41 silica.,Morishige K. and Shikimi M., Langmuir 13 (1997) 3494; Morishige K. and Shikimi M., J. Chem Phys. 108 (1998) 7821; Kruk M. and Jaroniec M, Chem. Mater. 12 (2000) 222,77

28、 K,Argon sorption on MCM-41 A (3.3 nm), MCM-41 C (4.2 nm), SBA-15 (6.7 nm) and CPGs,Thommes M., Koehn R. and Froeba M., Applied Surface Science 196 (2002) 239 ; M. Thommes, R. Koehn and M. Froeba et al. J. Phys. Chem B 104, (2000), 7933,87 K,3.3,4.2,6.7,11,16,3.3,4.2,6.7,11,16,在87K的氩吸附 Argon Adsorpt

29、ion at 87.27 K,由于氩与孔壁的吸引作用较弱(缺少四极矩),它可以比氮在相对高得多的压力下填充0.4-0.8nm 的微孔(至少高1.5个数量级). Due to weaker attractive fluid-wall interactions (and the lack of a quadrupole moment), Argon fills micropores of dimensions 0.4 nm 0.8 nm at much higher relative pressures, (.i.e., at least 1.5 decades higher in relative pressures) as compared to nitrogen. 高精度,高分辨吸附等温线,在较短的时间内测量整个微孔-介孔范围 High resolution adso