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材料吸附孔径分析

阅读人数:590 发布时间:2018/8/2 14:25:00

背景知识
细小粉末中相当大比例的原子处于或靠近表面。如果粉末的颗粒有裂缝、缝隙或在表面上有孔,则裸露原子的比例更高。固体表面的分子与内部分子不同,存在剩余的表面自由力场。同样的物质,粉末状与块状有着显著不同的性质。与块状相比,细小粉末更具活性,显示出更好的溶解性,熔结温度更低,吸附性能更好,催化活性更高。这种影响是如此显著,以至于在某些情况下,比表面积及孔结构与化学组成有着相当的重要性。因此,无论在科学研究还是在生产实际中,了解所制备的或使用的吸附剂的比表面积和孔径分布有时是很重要的事情。例如,比表面积和孔径分布是表征多相催化剂物化性能的两个重要参数。一个催化剂的比表面积大小常常与催化剂活性的高低有密切关系,孔径的大小往往决定着催化反应的选择性。目前,已发展了多种测定和计算固体比表面积和孔径分布的方法,不过使用最多的是低温氮物理吸附静态容量法。
气体与清洁固体表面接触时,在固体表面上气体的浓度高于气相,这种现象称吸附(adsorption)。吸附气体的固体物质称为吸附剂(adsorbent);被吸附的气体称为吸附质(adsorptive);吸附质在表面吸附以后的状态称为吸附态。
吸附可分为物理吸附和化学吸附。
化学吸附:被吸附的气体分子与固体之间以化学键力结合,并对它们的性质有一定影响的强吸附。
物理吸附:被吸附的气体分子与固体之间以较弱的范德华力结合,而不影响它们各自特性的吸附。
孔的定义
固体表面由于多种原因总是凹凸不平的,凹坑深度大于凹坑直径就成为孔。有孔的物质叫做多孔体(porous material),没有孔的物质是非孔体(nonporous material)。多孔体具有各种各样的孔直径(pore
diameter)、孔径分布(pore size distribution)和孔容积(porevolume)。
孔的吸附行为因孔直径而异。孔大小(孔宽)分为
微孔(micropore) < 2nm
中孔(mesopore) 2~50nm
大孔(macropore) 50~7500nm
巨孔(megapore) > 7500nm(大气压下水银可进入)
此外,把微粉末填充到孔里面,粒子(粉末)间的空隙也构成孔。虽然在粒径小、填充密度大时形成小孔,但一般都是形成大孔。分子能从外部进入的孔叫做开孔(open pore),分子不能从外部进入的孔叫做闭孔(closed pore)。
单位质量的孔容积叫做物质的孔容积或孔隙率(porosity)
吸附平衡
固体表面上的气体浓度由于吸附而增加时,称吸附过程(adsorption);反之,当气体在固体表面上的浓度减少时,则为脱附过程(desorption)。
吸附速率与脱附速率相等时,表面上吸附的气体量维持不变,这种状态即为吸附平衡。吸附平衡与压力、温度、吸附剂的性质、吸附质的性质等因素有关。一般而言,物理吸附很快可以达到平衡,而化学吸附则很慢。
吸附平衡有三种:等温吸附平衡、等压吸附平衡和等量吸附平衡。
等温吸附平衡――吸附等温线
在恒定温度下,对应一定的吸附质压力,固体表面上只能存在一定量的气体吸附。通过测定一系列相对压力下相应的吸附量,可得到吸附等温线。吸附等温线是对吸附现象以及固体的表面与孔进行研究的基本数据,可从中研究表面与孔的性质,计算出比表面积与孔径分布。
吸附等温线有以下五种(图 1)。吸附等温线的形状直接与孔的大小、多少有关。现在人们已普遍地将他们分别称做第I类吸附等温线、第II类吸附等温线,……第V类吸附等温线,这种分类法通常称做吸附等温线的B.E.T.分类.




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