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康塔BET理论以及应用

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BET 理论

 

BET理论(Brunner-Emmett-Teller 理论的缩写)被用来测试固体或者多孔材料的比表面积。材料的比表面积大小能够影响固体与周围环境之间的相互作用,所以BET理论所给出的材料物理结构方面的信息尤为重要。像溶解速率,催化性能,保湿性能,材料寿命这些众多特性无一不与材料的比表面积息息相关。在固体材料的设计和生产参数把控方面,比表面积分析更是固体多孔材料性能表征的主要方法之一。我们将带您一起了解BET比表面积分析过程和该方法的应用领域。

 

BET比表面积的确定方法:测试原理

改变材料比表面积的方法有很多,如合成或者工艺处理。当某个颗粒被分割成更小的颗粒时,新的表面就形成了,从而表面面积增加了。与此相似,当颗粒内部通过溶解、分解、或其它的一些物理或者化学的方法形成孔洞,它的表面积也会相应增加。像活性炭这样具有丰富的窄孔结构的材料,仅1g 就具有高达2000 m2 的比表面积!

在BET理论的应用中,真正的比表面积包含表面的不规则部分和内部孔洞,需要在原子级别上通过吸附惰性气体来实现。因为多数气体和固体之间的相关作用力比较微弱,必须要使用冷凝剂让材料表面充分冷却。发生吸附时,固体样品的温度保持恒定,而吸附气体的压力或者浓度持续增加。图1展示了一个典型的物理吸附等温线,横坐标是相对压力,纵坐标是样品对该吸附气的吸附量。

https://wiki.anton-paar.com/fileadmin/wiki/images/BET_Theory/figure_1.jpg

图1:吸附等温线举例

 

随着吸附气体的相对压力逐渐增大,越来越多的气体分子将吸附在材料表面。当吸附发生到一定阶段时,整个材料表面将由单层气体分子形成的分子层完全覆盖(图2深红色部分)。我们可以通过此时的吸附体积计算得到单分子层的分子数目。单个分子所具有的横截面积是已知的,因此我们可以计算出材料的表面积。然而气体吸附中气体的压力和吸附量之间的关系并不是简单的线性关系(如图1所示),因此我们必须选择一个合适的数学模型来计算比表面积,这个数学模型就是BET方程。

https://wiki.anton-paar.com/fileadmin/wiki/images/BET_Theory/figure_2.jpg

图2:单分子层吸附形成 的过程

 

Figure 3: Simplified depiction of a BET surface area calculation

图3:BET比表面积计算原理的解释

 

 

BET方程式

BET方程(以Brunauer,Emmett以及 Teller这三位建立此理论的科学家的名字命名的)发表于1938年(Brunauer,1938),此后成为确定固体材料气体吸附领域中形成单分子层吸附所需要的分子个数Xm最为广泛的方法。BET方程(见方程1)描述了既定的相对压力P/P0和对应的吸附分子数目之间的关系,C是一个和吸附热相关的二级参数。

https://wiki.anton-paar.com/fileadmin/wiki/images/BET_Theory/2018-11-09_09_01_27-Greenshot.png 

方程1: BET方程

BET方程描述了1/[X(P0/P)-1] vs. P/P0的之间呈现线性关系。对于大多数固体材料,当使用氮气作为吸附质时,等温线仅仅在一个非常有限的区域内呈现线性关系,这个范围一般是相对压力P/P0 0.05 到0.35。图4为一个典型的BET曲线。

https://wiki.anton-paar.com/fileadmin/wiki/images/BET_Theory/figure_4.jpg

图4:BET曲线举例

 

 

表面积SA可以通过方程2中的斜率和截距计算得到。

Equation 2: Surface area calculation

方程2:表面积计算

CSA 是气体吸附质分子的横截面积(Lowell, 2004)

BET原理的应用

任何固体材料都可能需要使用气体吸附法的表征来得到它的比表面积。比表面积分析在常见领域中的应用是极其重要的,如碳材料的生产和深加工,医药行业,催化行业,电池行业,陶瓷材料行业以及矿物行业。

炭黑

Carbon Black

炭黑

在橡胶生产行业,炭黑已成为应用量最大的材料,可以用于增强橡胶的性能。炭黑的比表面积决定了它所能够应用的领域和相关性能。高比表面积的炭黑用于具有高耐磨性的领域中(轮胎胎面),而 低比表面积的炭黑具有较低的硬度和抗拉强度,因此非常适合于电线绝缘等领域。

 

制药行业

Pharmaceuticals

药品

许多药物粉末是由多种原料混合而成的,包含了药物活性组分(APIs),粘合剂、润滑剂以及辅料。这些材料都需要BET比表面积的表征,以确保所选取的材料具有合适的溶解度,粘聚力和生物活性。

 

催化行业

固体均相催化剂被广泛应用于多种工业化过程中,它一般是由活性组负载在非活性的载体上而组成。两个组分的表面积对反应速率和产物收率都有影响,因此比表面积分析成为催化领域研发者和生产商至关重要的表征手段。

Catalysts

催化剂

 

电池行业

电池不同的组件的性能,如电池正极,负极以及电池隔膜都可能受到它们比表面积的影响。电池的充电放电速率、电阻以及电容量都和这些材料的比表面积息息相关。更多资讯,请阅读我们“电池正负极材料比表面积的确定”技术文档。

Batteries

电池

 

陶瓷材料

Ceramics

陶瓷材料被应用于数以万计的日常产品中,如玻璃,水泥以及技术含量更高的半导体和芯片行业。比表面积对这类材料的烧结性能,保温性能和湿度保持等都有影响。因此比表面积分析在陶瓷材料的选择和生产上都具有非常重要的作用。

结论

应用于气体吸附法中的BET原理,可以在不考虑材料颗粒大小和形状的前提下应用于多孔和无孔材料的表征中。因此这是一个探究固体材料世界的利刃。

 

参考文献:

Brunauer,S. et al. (1938). Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society, pp. 309–319.


Lowell, S. et al. (2004). Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density. 1st ed. Dordrecht, The Netherlands: Springer.


Thommes, M. et al. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, pp. 1051–1069.

 

 

 

 


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