CO₂吸附法分析微孔碳材

273K（0°C）条件下利用CO₂吸附进行多孔碳材料的微孔分析

       科学之美，大可到无垠星空，小可到电子夸克，远可谈光年以外，近可说触手可及；大可谈到哈勃半径，小能说普朗克长度；从量子物理到柴米油盐，从深空之下到眼前苟且，科学无处不在。

       温度骤降，那来了解个名词-零度；零度是热力学的Z低温度，是粒子动能低到量子力学Z低点时物质的温度。零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成K，等于摄氏温标零下273.15度（-273.15℃）。本文所介绍的是在273K（0°C）条件下的实验应用。

       孔径分布（PSD）是表征多孔材料的关键指标。孔径分布分析既可应用于特定功能多孔材料的研发，也可以表征现有产品。通常的方法是通过测定77 K下N₂吸附等温线来表征多孔材料的PSD。今天介绍的方法则是273K（0°C）条件下利用CO₂吸附进行多孔碳材料的微孔分析。

       273 K（0℃）下CO₂微孔分析对比77 K下N₂分析具有的主要优势：

       ►更快的分析速度。由于0℃下CO₂具有较高的扩散速率，可以快速达到平衡，因此可以在更短的时间内完成等温线的测量：CO₂分析测试约3小时，而N₂分析测试可能超过30小时

       ►更快微孔扩散速度确保测得的吸附点是平衡的

       ►分析范围拓展到CO₂分子能进去而N₂分子无法进入的较小尺寸微孔

       ►仪器设备的技术要求简化：不需配有涡轮分子泵的高真空系统，10^-3torr就可以满足实验要求；不需要低压压力传感器，1000 torr传感器就可以满足要求

       Nova和Autosorb系列仪器都可以进行CO₂分析测试。安东帕康塔软件可进行数据分析，它的综合数据库包既包含经典算法，又有现代孔径分析模型。与经典的宏观热力学方法相比，现代分析方法可在分子水平上描述孔隙流体结构。这种微观方法可应用在孔径分布分析当中。

       认识到CO₂分析测试的优势后，安东帕康塔引入NLDFT/GCMC核文件，可根据CO₂吸脱附等温线进行孔径分布分析计算。为了说明该方法，选取两种具有代表性的碳材料样品，将CO₂分析结果与已有成熟的N₂ DFT分析结果进行对比。

图1.ACF-10活性碳纤维孔径分析分布柱状图。实验时间:二氧化碳3小时，氮气40小时。

图2.F400活性炭的孔径分析分布柱状图。实验时间:二氧化碳3小时，氮气35小时。

图3. ACF-10在氮气77K和二氧化碳273K下测得的吸附等温线。

       值得注意的是，对于N₂来说，碳材料的微孔吸附开始的相对压力P/P0远低于10^-6（<0.001 torr）。在相对压力P/P0为10^-6时，样品的吸附量已经占总吸附量的20%左右，因此为了得到等温线的初始部分，实验需要更低的压力。另一方面，CO₂的吸附压力大约开始于相对压力10^-4，在压力方面（约1 torr）明显高于N₂。由此可知，CO₂比N₂更容易获得吸附等温线的初始部分。这一对比清晰地表明了对于跟踪和表征微孔的吸附行为，CO₂比N₂更方便和更有优势。

       显然，如果还想同时了解样品介孔的孔径分布，可将CO₂分析和经典的N₂介孔分析相结合。结合这两种方法来表征碳材料的微孔和介孔，可以避免77 K下N₂测试所需的高耗时及为获得更低压力带来的高成本。