比表面积和孔结构测定简介
比表面积及孔径分析简介
Ⅱ型和Ⅲ型等温线的特点
B
II型等温线一般由非孔或大孔固体产生。B点通常被作为单层吸附容 量结束的标志。 III型等温线以向相对压力轴凸出为特征。这种等温线在非孔或大孔 固体上发生弱的气－固相互作用时出现，而且不常见。
Ⅳ型等温线的特点
IV型等温线由介孔固体产生。典型特征是等温线的吸附曲线与脱附曲
描述吸附现象比较重要的数学方程有：
单分子层吸附理论•Langmuir方程(Ⅰ型等温线) 多分子层吸附理论•BET方程(Ⅱ型和Ⅲ型等温线) 毛细孔凝聚理论•Kelvin方程（Ⅳ和Ⅴ型等温线) 微孔填充理论•DR方程(Ⅰ型等温线) Ⅵ类等温线
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程 Irving Langmuir (1881-1957)
1.5 孔径的分类 (IUPAC Standard)
IUPAC 定义的孔大小分为： 微孔（micropore） < 2nm 中孔（mesopore） 2～50nm 大孔（macropore） > 50nm
微孔
中孔（介孔）
大孔
比表面积和孔径的定义 吸附理论 比表面积的计算 孔容和孔径分析计算
2.1 吸附现象:
比表面积及孔 径分 析 简 介
培训人： 张 曼 培训日期：2017-04-26
比表面积和孔径的定义 吸附理论 比表面积的计算 孔容和孔径分析计算
1.1 比表面积的定义
比表面积S（specific surface area）：单位质量的粉体所具有的表面积总 和。分外表面积、内表面积两类。
公式：S=A/W
吸附平衡（adsorption equilibrium）: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。
氮气吸脱附比表面
吸附剂:具有吸附能力的固体物质. 吸附质:被吸附剂所吸附的物质. 通常采用氮气,氩气或氧气为吸附质进行多孔物的比 表面,孔体积,孔径的大小和分布的测定.也可通过完 整的吸附脱附曲线计算出介孔部分和微孔部分的体 积和表面积等.
比表面－－通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：
1）一种是单位质量的固体所具有的表面积； 2）另一种是单位体积固体所具有的表面积。
1.Kelvin方程对Ⅳ和Ⅴ型等温线的解释：
临界温度以下，气体在中孔吸附剂上发生吸附时，首先形成单分子
吸附层，对应图中的AB段，当单分子层吸附接近饱和时（达到B点
' D E
），开始发生多分子层的吸附，从A点到C点，由于只发生了多分 子层吸附，都可以用BET方程描述。当相对压力达到与发生毛细凝
D
n
聚的Kelvin半径所对应的某一特定值，开始发生毛细孔凝聚。如果
C B A 0 p/p0
吸附剂的孔分布比较窄（中孔的大小比较均一），CD段就会比较 陡，如果孔分布比较宽，吸附量随相对压力的变化就比较缓慢如 CD‘段。当孔全部被填满时，吸附达到饱和，为DE段。对于Ⅳ和 Ⅴ型等温线的区别，可以参考Ⅱ和Ⅲ型等温线。当吸附剂与吸附质 之间的作用比较弱时，就会出现Ⅴ型等温线。
R 2 r
如果
，则
p ln p0 a , R
＞
p ln p0 a ,r
，则凝聚首先发生在瓶颈r处，凝聚液堆积在瓶颈
处，直到压力达到与R相对应的某一值时，才开始在瓶底发生凝聚。蒸发过程也在r处进
行。
江西师范大学仪器测试项目分析：
Langmuir方程是常用的吸附等温线方程之一，是由物理化学家朗格缪尔(Langmuir Itying)于1916年根据分子运动理论和一些假定提出的。吸附剂表面只能发生单分子层 吸附。 Ⅰ型等温线 t-plot方法和αs-plot 应用吸附等温线外推法估算微孔面积，微孔体积和外表面积 MP法微孔分析MP法即通过分析v-t曲线获得微孔吸附剂的表面积、微孔体积和V分别为固体的质量和体积，S为其表面积
第5章-比表面积和孔结构分析技术概要
表面积测定
固体表面的吸附作用
吸附是一种物质的原子或分子附着在另一种物质 表面的现象。
固体表面由于表面层的分子所的受力是不对称、 不饱和的，因而产生剩余力场，这些不平衡力场对 周围介质（气体或液体）具有吸引作用，所以固体 表面能够吸附那些能够降低其表面自由焓的物质。
物理吸附和化学吸附
汞压力测孔对试样要求和处理
1. 取样：对于水泥，必须是净浆。取样不用打击方 法，以免产生二次裂缝；
2. 试样处理：对于水泥水化试样，用丙酮终止水化， 105oC干燥。
3. 测试试样尺寸：<5mm
汞压力测孔数据处理
Pr P1 r1 .
V DV V1 DV1
Pn rn Vn DVn
汞压力测孔数据处理
度无关； (3) 吸附是定域化的，即被吸附的分子间无作
用力； (4) 吸附平衡是一种动态平衡。
Langmuir吸附等温式
p 1 p G Gb G
多分子吸附的BET程
Brunauer, Emmett和Teller在单分子层吸附理论的 基础上提出多分子层吸附理论，并推导出BET等温 吸附方程。
分子层吸附理论的基本假设：
吸附量
在吸附平衡的条件下，吸附量 G 通常是一 单位质量的固体吸附质所吸附的气体物质的量 表示，或是以单位质量固体吸附剂所吸附的气 体物质在STP下的体积表示：
G n 或 G V（STP〕
m
m
Langmuir吸附等温式
单分子层吸附假设： (1) 吸附是单分子层的； (2) 固体表面是均匀的，即吸附热与表面覆盖
孔径与蒸汽压的关系
r = rk+ t
ln pN2 ＝- 2 vm cosq
中国药典比表面积测定法
中国药典比表面积测定法
中国药典比表面积测定法是一种常用于测定药物粉体材料比表面积的方法。
该方法在制药、食品和化工等领域中具有重要的应用价值，尤其是在药品质量控制和生产过程中。
比表面积是指单位质量物料所具有的总表面积，包括颗粒表面和内部孔洞的表面积。
在药物粉体材料中，比表面积与药物的溶解度、吸附性、分散性和生物利用度等性质密切相关。
因此，准确测定药物粉体的比表面积对于评估药物的质量和性能至关重要。
中国药典比表面积测定法基于气体吸附原理，通过测量药物粉体在一定压力下对气体的吸附量来确定其比表面积。
该方法具有较高的准确性和可靠性，能够为药品质量控制和生产过程提供可靠的依据。
在实际应用中，中国药典比表面积测定法需要使用专业的仪器设备，如气体吸附仪等。
操作过程需严格按照规定进行，以确保结果的准确性和可靠性。
同时，对于不同种类的药物粉体，可能需要进行适当的预处理，以消除其表面吸附的杂质和水分等干扰因素。
此外，比表面积的测定结果也会受到其他因素的影响，如颗粒形状、孔洞结构、粒径分布和表面化学性质等。
因此，在进行比表面积测定时，需要考虑这些因素可能产生的影响，并进行相应的校正和处理。
总之，中国药典比表面积测定法是一种重要的药物粉体质量评估方法，能够为药品质量控制和生产过程提供可靠的依据。
通过准确测定药物粉体的比表面积，可以更好地了解其性质和性能，从而为药物研发、生产和应用提供支持。
比表面积、孔径分布及孔隙度测定理论方法介绍
比表面积、孔径分布及孔隙度测定理论方法介绍气体吸附(氮气吸附法)比表面积测定比表面积分析测试方法有多种，其中气体吸附法因其测试原理的科学性，测试过程的可靠性，测试结果的一致性，在国内外各行各业中被广泛采用，并逐渐取代了其它比表面积测试方法，成为公认的最权威测试方法。
许多国际标准组织都已将气体吸附法列为比表面积测试标准，如美国ASTM的D3037，国际ISO标准组织的ISO-9277。
我国比表面积测试有许多行业标准，其中最具代表性的是国标GB/T19587-2004《气体吸附BET法测定固体物质比表面积》。
气体吸附法测定比表面积原理，是依据气体在固体表面的吸附特性，在一定的压力下，被测样品颗粒(吸附剂)表面在超低温下对气体分子(吸附质)具有可逆物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量。
通过测定出该平衡吸附量，利用理论模型来等效求出被测样品的比表面积。
由于实际颗粒外表面的不规则性，严格来讲，该方法测定的是吸附质分子所能到达的颗粒外表面和内部通孔总表面积之和，如图所示意位置。
氮气因其易获得性和良好的可逆吸附特性，成为最常用的吸附质。
通过这种方法测定的比表面积我们称之为“等效”比表面积，所谓“等效”的概念是指：样品的比表面积是通过其表面密排包覆(吸附)的氮气分子数量和分子最大横截面积来表征。
实际测定出氮气分子在样品表面平衡饱和吸附量(V)，通过不同理论模型计算出单层饱和吸附量(Vm)，进而得出分子个数，采用表面密排六方模型计算出氮气分子等效最大横截面积(Am)，即可求出被测样品的比表面积。
计算公式如下：sg:被测样品比表面积(m2/g)Vm:标准状态下氮气分子单层饱和吸附量(ml)Am:氮分子等效最大横截面积(密排六方理论值Am=0.162nm2)W:被测样品质量(g)N:阿佛加德罗常数(6.02x1023)代入上述数据，得到氮吸附法计算比表面积的基本公式：由上式可看出，准确测定样品表面单层饱和吸附量Vm是比表面积测定的关键。
比表面积,孔径,孔容,测试,分析,检测,方法
比表面积,孔径,孔容,测试,分析,检测,方法比表面积,孔径,孔容,测试,分析,检测传统测试方法测试粉末或者多孔性物质表面积比较困难，它们不仅具有不规则的外表面，还有复杂的内表面。
BET测试法是BET比表面积测试法的简称。
广泛应用于测试颗粒和介孔材料的比表面积，孔径分布，孔容等性能。
BET测试理论是根据希朗诺尔、埃米特和泰勒三人提出的多分子层吸附模型，并推导出单层吸附量Vm 与多层吸附量V间的关系方程，即著名的BET方程。
BET方程是建立在多层吸附的理论基础之上，与物质实际吸附过程更接近，因此测试结果更准确。
通过实测3-5组被测样品在不同氮气分压下多层吸附量，以 P/P0为X轴，P/V（P0-P）为Y轴，由BET方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得Vm值计算出被测样品比表面积。
理论和实践表明，当P/P0取点在0.05~0.35范围内时，BET方程与实际吸附过程相吻合，图形线性也很好，因此实际测试过程中选点在此范围内。
1. 比表面积, 孔径，孔容1.1比表面积：单位质量物料所具有的总面积1.2孔径：介孔材料的孔直径1.3孔容：单位质量多孔固体所具有的细孔总容积2. 测试方法多点BET法其原理是求出不同分压下待测样品对氮气的绝对吸附量，通过BET理论计算出单层吸附量，从而求出比表面积，孔径，孔容。
3. 常见测试标准GB/T 19587-2004 气体吸附BET法测定固态物质比表面积GB/T 13390-2008 金属粉末比表面积的测定氮吸附法GB/T 7702.20-2008 煤质颗粒活性炭试验方法比表面积的测定GB/T 6609.35-2009 氧化铝化学分析方法和物理性能测定方法SY/T 6154-1995 岩石比表面和孔径分布测定静态氮吸附容量法。
低温氮吸附法测定多孔材料的比表面积及孔隙分布
低温氮吸附法测定多孔材料的比表面积及孔隙分布一、实验目的（1）了解低温氮吸附法测定多孔材料的比表面积及孔隙分布的原理。
（2）掌握低温氮吸附法测定比表面积及孔隙分布的方法。
（3）掌握仪器的实际操作过程、软件使用方法（4）学习分析实验结果和数据二、实验概述多孔材料的比表面积和孔隙分布测试在各行各业已逐步引起人们的普遍重视，是评价粉末及多孔材料的活性、吸附、催化等多种性能的一项重要参数。
广泛应用于药品、陶瓷、活性炭、碳黑、油漆和涂料、医学植入体、推进燃料、航天隔绝材料、MOF储氢材料、碳纳米管和燃料电池的研究。
比表面及孔隙分布测试方法根据测试思路不同分为吸附法、透气法和其它方法，透气法是将待测粉体填装在透气管内震实到一定堆积密度，根据透气速率不同来确定粉体比表面积大小，比表面测试范围和精度都很有限；其它比表面积及孔隙分布测试方法有粒度估算法、显微镜观测估算法，已很少使用；其中吸附法比较常用且精度相对其它方法较高。
吸附法是让一种吸附质分子吸附在待测粉末样品（吸附剂）表面，根据吸附量的多少来评价待测粉末样品的比表面及孔隙分布大小。
根据吸附质的不同，吸附法分为低温氮吸附法、吸碘法、吸汞法和吸附其它分子方法；以氮分子作为吸附质的氮吸附法由于需要在液氮温度下进行吸附，又叫低温氮吸附法，这种方法中使用的吸附质--氮分子性质稳定、分子直径小、安全无毒、来源广泛，是理想的且是目前主要的吸附法比表面及孔隙分布测试吸附质。
三、实验原理1、比表面积测试原理比表面积是指1g固体物质的总表面积，即物质晶格内部的内表面积和晶格外部的外表面积之和。
低温吸附法测定固体比表面和孔径分布是依据气体在固体表面的吸附规律。
在恒定温度下，在平衡状态时，一定的气体压力，对应于固体表面一定的气体吸附量，改变压力可以改变吸附量。
平衡吸附量随压力而变化的曲线称为吸附等温线，对吸附等温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息，还可以计算固体的比表面和孔径分布。
比表面积和孔结构分析技术
电池和超级电容器
在电池和超级电容器中，电极材 料的比表面积和孔结构对电化学
性能有重要影响。
比表面积越大，电极材料与电解 液接触的表面积越大，反应活性 越高。孔结构则影响电解液的渗
透和离子的传输。
通过比表面积和孔结构分析技术， 可以优化电极材料的制备工艺， 提高电池和超级电容器的能量密 度、充放电性能和循环寿命。
比表面积和孔结构分析技 术
• 引言 • 比表面积分析技术 • 孔结构分析技术 • 比表面积和孔结构在材料科学中的应
用 • 结论
01
引言
目的和背景
目的
比表面积和孔结构分析技术是材料科学和工程领域中重要的研究手段，用于评 估材料的表面特性和孔隙结构，进而了解材料的物理、化学和机械性能。
背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高，材料的比表面积和孔结构对性 能的影响越来越受到关注。因此，发展高效的比表面积和孔结构分析技术对于 材料研究和应用具有重要意义。
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比表面积和孔结构的重要性
比表面积
材料的比表面积是指单位质量或单位 体积的表面积，它决定了材料与气体 的接触面积，影响材料的吸附、反应 和催化性能。
孔结构
重要性
通过对比表面积和孔结构的分析，可 以深入了解材料的表面性质和内部结 构，为优化材料性能、开发新材料提 供重要依据。
材料的孔结构包括孔径、孔容、孔分 布等参数，这些参数直接影响材料的 储气、吸水、吸油、过滤等性能。
Langmuir方法
01
Langmuir方法是另一种测量固体物质比表面积的方法。
02
常用的孔隙结构测定方法
常用的孔隙结构测定方法一、引言孔隙结构是指固体材料中存在的空隙或孔洞的数量、大小、分布以及形状等特征。
孔隙结构对于材料的物理性质和化学性质都有着重要影响，因此了解和掌握孔隙结构测定方法是非常必要的。
本文将介绍常用的孔隙结构测定方法，包括比表面积测定、孔径分布测定以及孔容量测定等方面。
二、比表面积测定1. 氮吸附法氮吸附法是一种广泛应用于比表面积测定的方法。
该方法利用氮气在低温下与材料表面吸附作用，通过对吸附量和脱附量的测量来计算出材料的比表面积。
具体操作步骤如下：（1）将样品放入装有液氮的室内冷却至低温；（2）加入一定量的氮气，并保持恒压恒温；（3）等待一段时间后，将剩余氮气抽出，同时记录下吸附前后压力差；（4）重复以上步骤多次，并计算出平均吸附量和脱附量；（5）根据吸附等温线计算出比表面积。
2. 气相色谱法气相色谱法也是一种常用的比表面积测定方法。
该方法利用气体在材料表面的吸附作用，通过对吸附量和脱附量的测量来计算出材料的比表面积。
具体操作步骤如下：（1）将样品放入装有惰性气体的室内；（2）加入一定量的气体，并保持恒压恒温；（3）等待一段时间后，将剩余气体抽出，同时记录下吸附前后压力差；（4）重复以上步骤多次，并计算出平均吸附量和脱附量；（5）根据吸附等温线计算出比表面积。
三、孔径分布测定1. 氮吸附-膨胀法氮吸附-膨胀法是一种常用的孔径分布测定方法。
该方法结合了氮吸附法和物理膨胀技术，可以同时测定样品的比表面积和孔径分布。
具体操作步骤如下：（1）将样品放入装有液氮的室内冷却至低温；（2）加入一定量的氮气，并保持恒压恒温；（3）等待一段时间后，将剩余氮气抽出，同时记录下吸附前后压力差；（4）根据吸附等温线计算出比表面积；（5）通过物理膨胀技术，测定样品不同孔径区间的孔容量。
2. 水银压汞法水银压汞法也是一种常用的孔径分布测定方法。
该方法利用水银在材料孔隙中的进出来测量不同孔径区间的孔容量，从而得到孔径分布数据。
物理吸附、比表面积和孔结构测定
CVm
29
单点BET
z p/p0在0.2-0.25时适用 z 快速准确的方法 z Approximate values of C
z C=2 to 50，metals，polymers，organics z C=50 to 200，silicates，oxides z C>200，activated carbons，zeolites
23
BET公式
V =θ =
Cx
Vm
(1− x)(1− x + Cx)
p x=
p0
C:与首层吸附热有关的常数；
p : 吸附质蒸汽吸附平衡时的压力； p0 : 吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压
24
4
BET公式的直线形式
V=
Cp
Vm
( p0
−
p)
⎡ ⎢1
+
⎣
(C
−1)
p p0
⎤ ⎥ ⎦
整理得：
p = C −1• p + 1 V ( p0 − p) CVm p0 VmC
3.7
82
0.037 0.00046
8.5
106
0.084 0.00086
15.2
124
0.150 0.00142
23.6
142
0.233 0.00214
31.5
157
0.311 0.00287
38.2
173
0.377 0.00350
p /V (p 0-p )
0.004
0.0035 0.003
y = 0.0089x + 0.0001
0.003 0.0025
比表面积及孔径分析简介
在环境科学中的应用
空气净化材料
通过比表面积及孔径分析，了解 空气净化材料的表面性质和孔结 构，有助于优化空气净化材料的
性能和寿命。
水处理吸附剂
比表面积及孔径分析可以提供水 处理吸附剂的表面特性和孔结构 信息，有助于优化吸附剂的制备
方法和性能。
土壤修复材料
通过比表面积及孔径分析，了解 土壤修复材料的表面性质和孔结 构，有助于提高土壤修复的效果
在材料科学中的应用
催化剂研究
通过比表面积及孔径分析，了解 催化剂的表面性质和孔结构，从 而优化催化剂的制备方法和性能。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
纳米材料表征
比表面积及孔径分析可以提供纳米 材料的表面特性和孔结构信息，有 助于研究纳米材料的物理和化学性 质。
复合材料界面研究
通过比表面积及孔径分析，了解复 合材料界面层的结构和性质，有助 于优化复合材料的性能。
和持久性。
05
实验操作流程及注意事项
实验操作流程
样品装填
将样品填充到比表面积及孔径 分析仪的测量腔内。
开始测量
启动仪器，进行吸附-脱附等 温线测量。
样品准备
选择合适的样品，进行研磨、 干燥等预处理。
实验设置
根据样品特性，设置仪器参数， 如吸附气体、温度、压力等。
数据处理
收集实验数据，进行数据分析， 计算比表面积、孔径分布等参 数。
在能源领域的应用
燃料电池
比表面积及孔径分析可用于研究燃料 电池电极材料的表面性质和孔结构， 以提高燃料电池的效率和稳定性。
储氢材料
太阳能电池
比表面积及孔径分析可以提供太阳能 电池材料的表面性质和孔结构信息， 有助于提高太阳能电池的光电转换效 率和长期稳定性。
比表面积及孔径分析简介ppt课件
18
2.4 吸附平衡等温线:
由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的物理吸附等温线分类
19
Ⅰ型等温线的特点
在低相对压力区域，气体吸附量有一个快速增长。这归因于微孔填充。 随后的水平或近水平平台表明，微孔已经充满，没有或几乎没有进一步的吸
附发生。 达到饱和压力时，可能出现吸附质凝聚。 外表面相对较小的微孔固体，如活性炭、分子筛沸石和某些多孔氧化物，表
12
2.2 吸附的相关概念
吸附剂（adsorbent）:具有吸附能力的固体物质. 吸附质（adsorptive）:被吸附剂所吸附的物质,(如氮气). 吸附过程（adsorption）:固体表面上的气体浓度由于吸附而增加的过程。 脱附过程（desorption）:气体在固体表面上的浓度减少的过程。
13
筒形孔
裂隙孔
锥形孔
球形孔(墨水瓶孔)
空隙或裂缝
氧化物接近于筒形孔，活性炭则是典型的裂隙孔，而墨水瓶孔多存在于沸 石分子筛中。
9
1.5 孔径的分类 (IUPAC Standard)
IUPAC 定义的孔大小分为： 微孔（micropore） < 2nm 中孔（mesopore） 2～50nm 大孔（macropore） > 50nm
吸附现象描述
在测定吸附量过程中发现，吸附剂吸附一种气体吸附质时，其吸附量（α）
α=f (T, p) T=常数 α=f ( p)称吸附等温线 p =常数 α=f (T)称吸附等压线 α=常数 p =f (T)称吸附等量线
(1-1) (1-2) (1-3) (1-4)
17
吸附等温线形式
假设温度控制在气体临界温度下，
比表面积及孔 径分 析 简 介
第二章 催化剂比表面积和孔结构测定
2. 多分子层吸附等温方程 ——BET吸附等温式
单分子层吸附等温方程无法描述除Ⅰ型等温线以外的其 他等温线。为了解决这个困难，布朗诺尔（Brunauer）、埃 米特（Emmett）和泰勒（Teller）提出了多分子层吸附模型， 并且建立了相应的吸附等温方程，通常称为BET等温方程。 BET模型假定： 吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量； 被吸附分子间的作用力可略去不计； 固体吸附剂对吸附质——气体的吸附可以是多层的，第一 层未饱和吸附时就可由第二层、第三层等开始吸附，因此各 吸附层之间存在着动态平衡； 自第二层开始至第n层（n→∞），各层的吸附热都等于吸 附质的液化热。
2.2.1 BET法
讨论： *随C值的增加，吸附等温曲线由Ⅲ型变为Ⅱ型，曲线在v/ vm=1处的弯曲越来越接近直角。这反映了第 一吸附层和其它吸附层之间吸附力场的差异越来越大。*当C值很大时，就可以由实验数据确定vm的值。 在C值比较小时，尽管也可以由BET公式计算得到vm的值，但此时由于实验数据的微小变动就能引起vm 值较大变化。从图形上看，随着曲线弯曲趋于平缓而不明显，vm不确切增大。当C值接近于1时，甚至 根本无法求算vm的值。 一点法 氮吸附时C常数通常都在50～200之间，由于C常数较大，所以在BET作图时的截距1/ vm C很小，在 比较粗略的计算中可以忽略，即可以把p/p0在0.20~0.25左右的一个实验点和原点相连，由它的斜率的 倒数计算vm值，通常称为一点法或单点法。只有当C值>>1的前提下，二者误差一般在10%以内。 多点法 相对于一点法来说，常规BET作图测定比表面要进行多个实验点（一般取五点）测量，因此又称多点 法。
斜率＋截距
设每一个吸附分子的平均截面积为Am(nm2) ，此Am就是 该吸附分子在吸附剂表面上占据的表面积： Vm (2-16) Sg = Am ×NA × ×10 -18 m 2 /g
材料的孔结构和比表面积__概述说明以及解释
材料的孔结构和比表面积概述说明以及解释1.引言1.1 概述材料的孔结构与比表面积是材料科学领域中一个重要的研究方向。
孔结构和比表面积是描述材料内部孔隙特征以及单位质量或单位体积的表面积大小的参数。
这些参数不仅决定了材料在各种物理、化学和生物过程中的性能，还直接影响着材料在催化剂、吸附剂、分离膜等领域中的应用。
1.2 文章结构本文将按照以下结构进行论述：首先介绍材料孔结构的定义和分类，包括常见的各类孔隙形态和尺寸；其次解释比表面积的概念并探讨其重要性；然后讨论影响材料孔结构和比表面积的因素，包括原始材料特性以及制备方法等；接下来介绍常用的孔结构和比表面积测试方法，并提及一些先进技术在该领域中的应用；之后通过分析催化剂领域以及吸附材料在环境治理中的应用案例，展示了孔结构与比表面积对于材料性能和功能发挥的关键作用；最后对孔结构与比表面积的未来研究方向和发展趋势进行了展望。
1.3 目的本文旨在系统概述和解释材料的孔结构和比表面积的相关内容，帮助读者全面了解这个领域的基本概念、重要性以及表征方法与应用。
同时，通过案例分析和展望，让读者认识到孔结构与比表面积在催化、环境治理等领域中具有广泛而深远的应用前景。
希望本文能够为相关研究人员提供参考，并促进该领域更深入的探索和发展。
2. 材料的孔结构与比表面积2.1 孔结构的定义与分类材料的孔结构指的是材料内部存在的微小空隙或孔洞。
这些孔洞可以是微观范围内的细小通道，也可以是宏观上可见的大型空腔。
根据孔洞尺寸和形状的不同，孔结构可以被分为以下几类：1) 微孔：直径小于2纳米（nm）的孔洞，其表面积相对较大。
微孔通常由吸附作用引起，因此在催化剂和吸附材料中扮演重要角色。
2) 中孔：直径介于2纳米到50纳米之间，具有较高比表面积和一定渗透性。
中孔可以提供更大的反应活性表面，并且更容易在其中承载催化剂。
3) 大孔：直径大于50纳米，具有高度渗透性和较低比表面积。
大型孔洞对于流体传输和负载相对较大颗粒物质非常重要。
生物炭比表面积和孔径测定
生物炭比表面积和孔径测定生物炭是以生物质为原料，经过高温热解或氧化处理等工艺制得的一种具有独特孔隙结构的高效吸附材料。
在许多领域，如水处理、空气净化、环境修复等方面都有着广泛的应用。
其中，比表面积和孔径是衡量生物炭吸附性能的重要指标。
一、比表面积比表面积是指单位质量或单位体积的吸附材料的表面积，是反映吸附材料表面活性和吸附能力的重要指标。
而生物炭由于其丰富的孔隙结构和大量的活性位点，使得其具有更高的比表面积和吸附能力。
目前，有多种方法可以测定生物炭的比表面积。
其中最常用的是氮气吸附法和甲烷吸附法。
通过这两种方法，可以测定生物炭的比表面积并得出吸附等温线，以评价其吸附性能。
二、孔径孔径是指吸附材料的孔隙大小，通常根据孔径大小将其分为微孔、介孔和大孔三类。
在吸附过程中，大孔主要作用于物理吸附，而微孔则主要作用于化学吸附。
同样，有多种方法可以测定生物炭的孔径。
比较常用的是氮气吸附法和水蒸气吸附法。
氮气吸附法通常可以指出生物炭的孔隙分布和孔径大小，而水蒸气吸附法则可以测定生物炭中的微孔和介孔。
三、生物炭的应用由于其独特的孔隙结构和取之不尽用之不竭的原料来源，生物炭在许多领域有着广泛的应用前景。
其中，水处理、空气净化和环境修复是最主要的应用领域。
生物炭可以用于净化各种污染水源，如重金属、致病菌等。
其大量的微孔和活性功能组分可以有效地去除水中的污染物。
同时，生物炭还可以用于水资源的添加剂，使水更加纯净和健康。
在空气净化中，生物炭通常被用于吸收和分解空气中的各种有害气体和异味。
它通过其丰富的孔隙结构和高比表面积，可以有效吸附并去除空气中的臭氧、二氧化硫、氮氧化物等有害气体。
在环境修复领域，生物炭常常被用于土壤修复。
它可用于修复油田、污水处理设施等环境污染现场，有着较好的吸附能力和化学反应能力。
总之，生物炭比表面积和孔径是其吸附性能的重要指标。
生物炭在水处理、空气净化和环境修复领域有着广泛的应用前景，在未来发展中前景广阔。
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式中 NA——阿伏伽德罗常数（6.02x1023）。
1.2.1 BET法
*埃米特和布郎诺尔曾经提出77K（-195℃）时液态六方密堆 积的氮分子横截面积取0.162nm2，将它代入式（1-14）后， 简化得到BET氮吸附法比表面积的常见公式：
(1-11）
式（1-10）与式（1-11）都称为朗格谬尔吸附等温式，他们在用v对p作图时的形状
与Ⅰ型吸附等温线相同。实际上，分子筛或只含微孔的活性炭吸附蒸汽时的吸附 等温线就是Ⅰ型的，因此Ⅰ型又称为朗格谬尔吸附等温线。 式（1-11）在用p/v对p作图时是一条直线，其斜率为1/vm，截距为1/(vmK)，由此 可以求出单分子层饱和吸附量vm。
*假设温度控制在气体临界温度下，
α=f ( p/p0)
式中p0－－吸附质饱和蒸汽压
(1-5)
*气体吸附量普遍采用的是以换算到标准状态（STP）时的
气体体积容量（cm3或ml）表示，于是方程(1-5)改写为：
v= f ( p/p0)
(1-6)
Brunauer分类的五种等温线类型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型曲线是凸形
1.1 物理吸附理论简单介绍 1.2 表面积计算 1.3 孔结构分析
1.1 物理吸附理论简单介绍
1.1.1 吸附现象及其描述
•吸附现象:
吸附作用指的是一种物质的原子或分子附着在另一种物 质表面上的过程-----物质在界面上变浓的过程。界面上的 分子与相里面的分子所受的作用力不同而引起的。
*气－固接触面来说，由于固体表面分子受力不法 其它方法
1.2 表面积计算
1.2.1 BET法
BET吸附等温方程（1-12）――――单层饱和吸附量 vm ： 1 (1-13) vm =
斜率＋截距
设每一个吸附分子的平均截面积为Am(nm2) ，此 Am就是该吸附分子在吸附剂表面上占据的表面积： (1-14) Vm -18 2
Ⅲ、Ⅴ型是凹形
Ⅰ型等温线相当于朗格谬尔单层可逆吸附过程。
Ⅱ型等温线相当于发生在非孔或大孔固体上自由的单一 多层可逆吸附过程，位于p/p0=0.05-0.10的B点，是等温线
的第一个陡峭部，它表示单分子层饱和吸附量。
Ⅲ型等温线不出现B点，表示吸附剂与吸附质之间的作用 很弱.
吸附量ν
相对压力p/p0
Ⅳ型等温线是一种特殊类型的等温线，反应的是固体 均匀表面上谐式多层吸附的结果。（有毛细凝聚现象 发生） Ⅴ型等温线很少遇到，而且难以解释，虽然反映了吸 附质与吸附剂之间作用微弱的Ⅲ型等温线特点，但在 高压区又表现出有孔充填（毛细凝聚现象）。
的状态。
*物理吸附由于是范氏力起作用，而范氏力在同类或不同类的任
何分子间都存在，所以是非专一性的，在表面上可吸附多层。
▀化学吸附
*化学吸附类似于化学反应，吸附质分子与吸附剂表面原 子间形成吸附化学键。 *被化学吸附的分子与原吸附质分子相比，由于吸附键的 强烈影响，结构变化较大。 *由于化学吸附同化学反应一样只能在特定的吸附剂－吸 附质之间进行所以具有专一性，并且在表面只能吸附一 层。
Ⅳ型、Ⅴ型曲线则有吸附滞后环的可能原因 吸附时有孔壁的多分子层吸附和在孔中凝聚两种因素产
生，而脱附仅由毛细管凝聚所引起。
这就是说，吸附时首先发生多分子层吸附，只有当孔壁上的 吸附层达到足够厚度时才能发生凝聚现象；而在与吸附相同 的p/p0比压下脱附时，仅发生在毛细管中的液面上的蒸汽， 却不能使p/p0下吸附的分子脱附，要使其脱附，就需要更小
积、Langmuir比表面积、BJH中孔、孔分布、孔大小及总孔体积
和面积、密度函数理论（DFT）、吸附热及平均孔大小等的多种 数据分析.仪器的工作原理为等温物理吸附的静态容量法。
技术参数
1.比表面积分析范围为0.0005 m2/g至无上限。
2.孔径的测量范围为3.5埃至5000埃。 3.微孔区段的分辨率为0.2埃。 4.孔体积最小检测: 0.0001 cc/g。
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程 模型的基本假定：
吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量；
被吸附分子间的作用力可略去不计；
属单层吸附，且每个吸附位吸附一个质点；
吸附是可逆的。
用θ表示覆盖度，即吸附剂表面被气体分子覆盖的分数， 未被覆盖分数应为(1-θ)，则 吸附速率＝kap(1-θ) 脱附速率＝kdθ (1-7) (1-8)
Sg = 4.325vm m 2 /g
(1-15)
*实验结果表明，多数催化剂的吸附实验数据按BET作图时的 直线范围一般是在p/p0 0.05-0.35之间。
*C常数与吸附质和表面之间作用力场的强弱有关。给定不同 的C值，并以v/vm对p/p0作图，就得到下图的一组曲线。
常数c作参数，以吸附重量或 吸附体积（W/Wm或V/Vm） 对x=P/P0作图。
吸附平衡等温线:以压力为横坐标,恒温条件下吸附质在
吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线. 通常用比压(相对压力)p/p0表示压力,p 为气体的真实压力,p0为气体在测量温度 下的饱和蒸汽压.
▀物理吸附
*物理吸附是吸附质分子靠范德华力（分子引力）在吸附剂表面 上吸附，它类似于蒸汽的凝聚和气体的液化。 *表面上剩余力场是表面原子配位不饱和造成的，作用力较弱， 致使物理吸附分子的结构变化不大，接近于原气体或液体中分子
主要特点
1.单点、多点BET比表面积
ngmuir比表面积 3.BJH中孔、孔分布、孔大小及总孔体积和面积 4.标准配置密度函数理论（DFT/NLDFT）,DA,DR,HK,MP等微孔分析方法。 5.吸附热及平均孔径，总孔体积。
6.提供了测定H2 气体绝对压力的吸附等温线，增强了在燃料电池方面的应用。
被吸附分子间的作用力可略去不计； 固体吸附剂对吸附质——气体的吸附可以是多层的，第一层未饱和吸附时 就可由第二层、第三层等开始吸附，因此各吸附层之间存在着动态平衡； 自第二层开始至第n层（n→∞），各层的吸附热都等于吸附质的液化热。
多分子层吸附等温方程 ——BET吸附等温式
p 1 C－1 p 按照朗格谬尔吸附等温方程的推导方法同样可得到 ＝ BET吸附等温方程： v( po－p ) （v mC vm C p o 1-12 ）
K——该吸附过程的吸附系数，即吸附平衡的平衡常数；
K0——指数表达式的指前因子，近似认为与温度无关。
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程
式（1-10）化简得：
如果用v（STP,ml/g）表示吸附量，vm（STP,ml/g）表示单分子层饱和吸附量，则，
p 1 p v vm K vm
力场，这样就对气体分子产生吸附作用。 *吸附的分子仍是在不断运动的（例如振动）。 *气体分子能克服固体表面的引力，会离开表面造成脱附。 *吸附与脱附之间可以建立动态平衡.
吸附剂:具有吸附能力的固体物质. 吸附质:被吸附剂所吸附的物质,(如氮气).
通常采用氮气,氩气或氧气为吸附质进行多孔物的比 表面,孔体积,孔径的大小和分布的测定.也可通过完 整的吸附脱附曲线计算出介孔部分和微孔部分的体 积和表面积等.
一点法
氮吸附时C常数通常都在50～200之间，由于C常数较大，所
以在BET作图时的截距1/ (vmC)很小，在比较粗略的计算中可 以忽略，即可以把p/p0在0.20~0.25左右的一个实验点和原点相 连，由它的斜率的倒数计算vm值，通常称为一点法或单点法。 只有当C值>>1的前提下，二者误差一般在10%以内。
催化剂比表面积
和孔结构测定
ASAP 2020系列全自
动快速比表面积及 中孔/微孔分析仪----美国麦克公司
仪器介绍
ASAP 2020系列全自动快速比表面积及中孔 / 微孔分析仪， 可同时进行一个样品的分析和两个样品的制备，仪器的操作软 件为先进的“Windows”软件，仪器可进行单点、多点BET比表面
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程
当达到动态平衡时，
kap(1- ) kd
kap Kp (1-9) θ= = kd + kap 1 + Kp
其中
ka K K 0 exp( Q / RT ) Q为吸附热 kd
(1-10)
式中： p――吸附质蒸气吸附平衡时的压力； ka,kd――分别为吸附和脱附速率常数；
a)c﹥2 ， II型吸附等温线; b)c﹤2， III型吸附等温线
BET公式适用比压范围: 0.05≤x≤0.35
6
1.2.1 BET法
*随C值的增加，吸附等温曲线由Ⅲ型变为Ⅱ型，曲线在v/vm=1处的弯曲 越来越接近直角。这反映了第一吸附层和其它吸附层之间吸附力场的差 异越来越大。 *当C值很大时，就可以由实验数据确定vm的值。在C值比较小时，尽管也 可以由BET公式计算得到vm的值，但此时由于实验数据的微小变动就能引 起vm值较大变化。从图形上看，随着曲线弯曲趋于平缓而不明显，vm不确 切增大。当C值接近于1时，甚至根本无法求算vm的值。
质分割得越小，分散度越高，比表面也越大。
把边长为 1cmspecific 的立方体逐渐分割成小立方体的情况： 比表面（ surface area）与分散度 边长l/m 1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9 立方体数 1 103 109 1015 1021 比表面S/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
式中 p0――吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压； vm——单分子层饱和吸附量； C——BET方程C常数，其值为exp{(E1-E2)/RT},
E1为第一吸附层的吸附热。
由式（1-12）可见，当物理吸附的实验数据按 p/v (p0-p) 与p/p0 作图时应得到一条直线。直 线的斜率m = (C-1) /(vmC),在纵轴上的截距为b=1/(vmC)，所以