技术分享 | 氧化铝材料比表面积和孔径结构表征方法

氧化铝（Al?O?），俗称“铝氧”，是一种重要的无机功能材料，具有多种同质异晶体结构。目前已发现氧化铝有10多种晶型，其中最常见的包括α-Al?O?、β-Al?O?和γ-Al?O?。α-Al?O?是热力学最稳定的晶型，在1300℃以上高温环境下，其他晶型会不可逆地转变为α相[1]。工业上氧化铝主要通过拜耳法生产，其产量约占全球总产量的95%。不同晶型的氧化铝具有显著不同的性质和应用领域。α-Al?O?具有结构致密、硬度高、热稳定性好等特点，主要用于耐火材料、研磨材料、高级陶瓷等领域；而γ-Al?O?则因其多孔性、高比表面积和丰富的表面酸性位点，被广泛用作催化剂载体和吸附剂。

图1 氧化铝粉体材料（图片来源于网络）

根据 GB/T 24487-2022《氧化铝》及 GB/T 6609.35-2009《氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法 第 35 部分：比表面积的测定 氮吸附法》，氮吸附法是当前氧化铝比表面积测定的主流方法，同时该方法也可用于氧化铝的孔径结构分析。

2.2 样品预处理（脱气）

脱气是氮吸附测试前至关重要的步骤，目的是去除样品表面吸附的水分、油污及其他杂质，确保测试过程中只有氮气分子在样品表面吸附，从而获得准确的比表面积和孔径数据。若脱气不彻底，残留杂质会占据样品表面的吸附位点，导致测得的比表面积偏小。不同类型氧化铝的脱气温度和时间存在显著差异：

（1）高纯 α-Al?O?化学性质稳定，比表面积较低，对脱气温度的要求相对宽松，可根据实际情况选择 120-300℃的脱气温度，脱气时间为 2-6 小时。

（2）对于活性氧化铝（如 γ-Al?O?、η-Al?O?），其表面存在大量羟基（-OH），过高的脱气温度会导致表面羟基脱水，引发样品烧结或晶型转变（如从 γ-Al?O?向 α-Al?O?转变），造成孔结构坍塌，比表面积急剧下降。因此，活性氧化铝的安全脱气温度通常控制在 200-300℃，脱气时间一般为 4-5 小时。

（3）若对氧化铝材料的结构特性不明确，可通过热重分析（TGA）获取样品的热失重曲线，根据曲线确定合适的脱气温度，避免因温度选择不当对样品造成破坏或影响测试结果准确性。

高纯α-Al?O?具有晶体结构稳定、粒度分布均匀、化学纯度高等特点，但其比表面积通常较低（一般小于10 m2/g）。这一特性使其不适合直接作为催化剂使用，但却使其在耐火材料、电子陶瓷、精密抛光等对热稳定性和机械强度要求较高的领域具有独特优势。近年来，随着新能源产业的发展，高纯α-Al?O?在锂电池隔膜涂层、固体氧化物燃料电池电解质等高端领域的应用也日益广泛。

以下是采用国仪量子Climber60系列比表面积及孔径分析仪对2种高纯Al2O3进行比表面积测定案例。如图2和图3所示，通过BET方程可得出高纯氧化铝A#和氧化铝B#的比表面积分别为4.34 m2/g和7.11 m2/g，两种Al?O?的比表面积均较低，符合高纯Al?O?的结构特性。值得注意的是，对于此类低比表面积材料，测试过程中的样品准备和仪器精度尤为关键。建议样品量建议不少于1g，并在脱气后迅速进行测试，以减少空气中水分的再吸附对结果的影响。

图3 高纯氧化铝B#-比表面积测试结果

高纯 α-Al?O?的低比表面积是其在耐高温、精密抛光等领域应用的关键特性，准确测定其比表面积对于控制产品质量、优化生产工艺具有重要意义。实际生产中，需根据产品的应用需求，合理控制 α-Al?O?的粒度和比表面积，以确保产品性能达标。

活性氧化铝通常指具有高比表面积和丰富孔结构的γ-Al?O?及其相关变体，是石油化工、环境保护等领域中最重要的催化剂载体之一。其性能在很大程度上取决于合成方法，常见的制备方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等[2]。不同方法制备的活性氧化铝在比表面积、孔体积、孔径分布以及表面酸性等方面存在显著差异，因此需要系统的表征来指导材料设计与应用。以下选取了两种不同制备工艺的活性氧化铝样品（记为 1#、2#），采用国仪量子Climber60系列比表面积及孔径分析仪对其进行分析。

比表面积分析：如图4和图5所示，1#样品的比表面积为139.52 m2/g，2#样品为231.02 m2/g，差异主要源于合成过程中孔径控制策略的不同。

图4 活性氧化铝1#-比表面积测试结果

图5 活性氧化铝2#-比表面积测试结果

等温线分析：如图6和图7所示，两种活性氧化铝样品均呈现典型的IV型等温线，说明材料以介孔结构为主。在相对压力（P/P?）0.4-0.9范围内出现的明显回滞环，表明材料中存在明显的毛细凝聚现象。

图6 活性氧化铝1#的 N2-吸脱附等温线

图7 活性氧化铝2#的 N2-吸脱附等温线

孔径分布分析：如图8和图9所示， 1#样品的最可几孔径为5.76nm，2#样品为13.41 nm。进一步分析回滞环形状发现，1#样品的回滞环更接近H2型，暗示其孔道结构可能存在"墨水瓶"型孔；而2#样品的回滞环近似H1型，表明其可能存在较为均匀的圆柱形孔道。

图8 活性氧化铝1#的BJH-吸附孔径分布图

图9 活性氧化铝2#的BJH-吸附孔径分布图

活性氧化铝的比表面积和孔径结构是决定其吸附和催化性能的核心参数，在实际应用中，需根据具体的工艺需求选择合适的活性氧化铝材料。例如，在废气处理中，对于小分子污染物的吸附，可选择比表面积大、孔径较小的活性氧化铝；而在催化反应中，若反应物分子较大，则需要选择孔径较大的活性氧化铝作为载体，以提高反应物分子在催化剂内部的扩散速率。

参考文献

[1] 武鼎铭,王蕾,申俊.氧化铝α相变影响因素探析[J].物理化学进展, 2022, 11(1):7.DOI:10.12677/JAPC.2022.111003.

[2] 李翔.新型孔结构氧化铝的合成与催化性能研究[J].中国石油大学（华东）, 2013.

Climber 比表面积及孔径分析仪采用静态容量法原理，可对材料的比表面积、孔径分布和孔体积等参数进行精准表征，适用于电池、陶瓷、催化、环保、医药等行业的材料研究及产品质检。配套 Climber 控制及分析软件，能够实现自动化数据采集、处理和分析，提供用户友好界面，使得操作更加简便。比表面积分析范围：0.0005 m/g及以上比表面积分析；孔径分析范围：0.35~500 nm。

产品特点：

• 高通量快速测试

  精巧高通量气路设计结合智能精准控气程序，极大提升测试效率，6个样品五点BET测试可在20 min内完成。

• 管路系统

  集装式管路精密设计最大限度减小歧管死体积，可长时间维持高真空度；采用低功耗电磁阀系统和传感器系统，保证内部系统温度稳定。

• 空气隔离塞

  使用空气隔离塞可将预处理后的样品在隔绝空气的状态下转移至分析口，防止空气敏感样品受空气污染。

• 智能六站独立预处理机

  6个独立脱气站可同时进行不同温度的样品处理；全自动软件操作，实时显示各站脱气进度，可预约预处理开始时间，合理安排实验进程。

• 防样品抽飞

  比例阀可控，抽速灵活调节，多级抽真空流程有效防止样品抽飞。

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