实验10 采用比表面分析仪测定改性纳米TiO2的比表面积

实验八采用比表面分析仪测定改性纳米TiO2的比表面积

一实验目的

1.掌握超微粉体比表面积的测试原理。

2.了解ST-2000型比表面与孔径测定仪的使用方法。

二实验原理

吸附现象大致可分为物理吸附和化学吸附，通常把被吸附的物质称为吸附质，而具有吸附作用的物质称为吸附剂。常用的吸附剂有特制的活性炭、硅胶、氧化铝及某些硅酸盐类等。一种好的吸附剂，必须有较大的表面积。因为对于某一吸附质来说，吸附物质的数量是随吸附剂的表面积增大而增加。化学吸附时吸附剂与吸附质之间发生电子转移；而物理吸附不发生这种电子转移，吸附作用中的吸附力是物理力（范德华力）。

由于吸附作用主要在界面处进行，故吸附剂的表面积愈大，其吸附能力愈强。因此，一般的吸附剂都是多孔的固体物质或粉末。把一克固体物质所具有的表面积，定义为物质的比表面积。若以W代表固体物质的重量（克），S代表固体物质的总表面积即包括外表面和内表面（米2），S0代表比表面（米2/克），则S0=S/W。固体物质的宏观结构性质—－表面和孔径分布，是估价催化剂、了解固体表面性质和研究电极材料性质的重要因素。BET气相吸附法是利用物理吸附的特点来进行测量比表面比较有效、准确的方法之一。

其基本假设是：在物理吸附中吸附质与吸附剂之间的作用力是范德华力，而吸附质分子之间的作用力也是范德华力。所以当气相中的吸附质分子被吸附在多

孔固体表面上之后，还可能从气相中吸附同类。根据假设推导的BET方程式：

P/P0 1 C—1 P

B= —――= —――+ —―――

（1—P/P0）V m C V m C P0

式中：P为平衡压力；V为平衡时的吸附量；V m为以单分子层覆盖固体表面时所需的气体量；P0为吸附平衡温度下吸附质的饱和蒸汽压；C为与吸附热和凝聚热有关的常数。BET公式的适用范围是相对压力P/P0 在0.05—0.35之间。通过实验可测得一系列的P和V，若以B对P/P0作图，可得一直线，其斜率为K= （C—1）/ V m C，截距为I=1/ V m C，从而得V m=1/（K+1）。在求得V m后则吸附剂的比表面S0就可按下式进行计算。

S0=S/W= V m N Aσ/22400W。σ=4×0.866（M/1.656N A d l）2/3式中：σ为一个吸附分子的截面积；N A为阿佛加德罗常数；V m为单分子覆盖整个固体表面时的吸附质体积（毫升）；22400为标准状况下一摩尔气体的体积（毫升）；W为固体吸附剂重量（克）；M为分子量；d l为吸附质在实验温度下的液体密度（克/毫升）。若以N2为吸附质，液氮沸点（-195.8℃）为实验温度，则σ为16.2Å2。因此，比表面可直接利用下式计算：S0 = 4.36V m/W。

本实验比表面积的测定采用对比法。对比法是在并联气路的基础上，以氮气为吸附质，氢气为载气，分别测定标准样品（活性炭）的吸附量，然后根据标准样品的比表面积计算待测样品的比表面积的一种分析方法。其优点是避免了一系列流量参数的测定，减少了误差，简化了操作过程。

三测试样品及试剂

已制备的纳米TiO2粉体，液氮，高纯氮气，高纯氢气，无水乙醇，硅胶，4A 分子筛等。

四测试仪器

脱脂棉，玻璃U形管，滤纸，试管刷，500mL的烧杯，洗衣粉，乳胶管，1500W 电炉，培养皿，电热杯，皂膜流量计，气体流量计，研钵，氮气表，氢气表，干燥管（塔），烘箱，干燥器，电吹风等。

ST-2000型比表面与孔径测定仪，万分之一天平。

五实验步骤

1. 用无水乙醇清洗所用的样品仪器管且用电吹风冷风吹干待用。

2. 打开钢瓶通气，气体经干燥后调整氢气与氮气的流量比为4：1（80：20）。用皂膜流量计调节流量阀使标准样品气路与被测样品气路流速一致。用恒温炉将待测粉体加热30min，以除去水气。注意操作过程中将氢气通过乳胶管排到室外。

3. 称取0.28g左右的样品纳米TiO2粉体装入干燥的样品管中。进行基线观察，待基线稳定后，放两个液氮杯对样品进行吸附。吸附平衡后用热水进行脱附，先脱附标准样品，再脱附被测样品。脱附后谱图上就会出现两个脱附峰和被测样品的比表面积数值，记录数据保留到四位有效数字。

六思考题

1．为什么可用物理吸附现象测量粉体的比表面？

2．用本测试方法测定样品的比表面积，主要误差来源是什么？

附录：ST-2000笔表面积孔径测定仪使用方法及注意事项

注意事项：实验开始前，先打开N2和H2钢瓶。通气20分钟后，再开导热池电源。

实验结束后，先关热导池电源，然后通气20分钟后，再关掉N2和H2钢瓶。

实验过程中，请不要随意调动旋钮（除下面提到的以外），以免影响仪器的正常运行。

比表面积测定方法：

实验前准备工作如下：

（1）把脱附—吸附档均指向脱附档。

（2）打开N2和H2钢瓶，使N2和H2的稳压表均调至0.2MPa左右。

（3）用皂膜流量计调N2和H2的气体流量，使H2:N2=4:1(流量比)。

（4）把Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ钮中的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ钮均拉出，用皂膜流量计调节标样及待测样两个入口的气体流量，使二者的气体流量大致相同。

（5）预通气20分钟后，打开热导池电源。

实验操作过程：

（1）样品在130℃加热炉中烘20分钟，冷却，称量，将样品管连接到测定仪上。（2）输入样品质量数（mg）,点“基线观察”，电流调节到100左右。

（3）用粗调或细调旋钮使计点数位于100左右，待基线稳定后，标样和样品同时放上液氮（高度相同）。

（4）等待，当计点数下降至0.00（N2吸附开始），待计点数恢复至稳定后，点“完毕”、“脱附分析”，调计点数位于40~50之间。

（5）待基线稳定后，将标样的液氮取下，换上水瓶。出峰后点“完毕”。然后，将标样上的水瓶换到待测样上，待出峰后点“完毕”，记录笔表面积值。

（6）测下一个样品前，应先基线稳定10分钟。

（7）实验结束后，请在记录本上签字。