Trong các lĩnh vực khoa học vật liệu, xúc tác, năng lượng và môi trường, diện tích bề mặt riêng là một trong những thông số quan trọng để đo hiệu suất vật liệu. Hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính, hoạt tính của chất xúc tác và hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu điện cực thường liên quan chặt chẽ đến diện tích bề mặt của chúng. Phương pháp đo diện tích bề mặt được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là thử nghiệm diện tích bề mặt riêng BET. Bài viết này sẽ cung cấp phân tích chi tiết về thử nghiệm BET từ một số khía cạnh, bao gồm nguyên tắc, chuẩn bị mẫu, xử lý dữ liệu và các biện pháp phòng ngừa.
1, Nguyên tắc củathử nghiệm BET
1.1 Hiện tượng hấp phụ và diện tích bề mặt riêng
Trên bề mặt vật liệu rắn, các phân tử khí sẽ bám vào bề mặt vật liệu dưới dạng hấp phụ vật lý, tạo thành một hoặc nhiều lớp phân tử. Khi các phân tử khí đạt đến trạng thái hấp phụ cân bằng trên bề mặt vật liệu, sẽ có mối quan hệ nhất định giữa lượng hấp phụ và áp suất tương đối của khí. Lý thuyết BET được đề xuất dựa trên hiện tượng này.
1.2 phương trình BET
Lý thuyết BET (Brunauer Emmett Teller) được đề xuất vào năm 1938 và cốt lõi của nó là rút ra một phương pháp tính toán diện tích bề mặt cụ thể thông qua hành vi hấp phụ đa lớp của khí trên bề mặt rắn.
Phương trình BET có dạng:
cái mà:
(V) Khả năng hấp phụ dưới áp suất tương đối (P/Po)
(Vm): Khả năng hấp phụ lớp đơn phân tử
(P) Áp suất hấp phụ
(Po): Áp suất hơi bão hòa
(C) Không đổi, phản ánh sự chênh lệch giữa nhiệt hấp phụ và nhiệt hóa hơi
Sau khi thu được một loạt dữ liệu hấp phụ thông qua các thí nghiệm, có thể vẽ đồ thị tuyến tính BET (thường chọn (P/Po) trong khoảng 0,05-0,35), đồng thời có thể tính Vm và C từ độ dốc và điểm chặn, cuối cùng thu được diện tích bề mặt cụ thể.
1.3 Lựa chọn khí
Các phương tiện hấp phụ thường được sử dụng là:
Nitơ (77 K) → Lựa chọn phổ biến nhất
Khí Argon (87 K) → thích hợp cho vật liệu xốp
Carbon dioxide (273 K) → phù hợp hơn cho phép đo lỗ siêu nhỏ
2, Chuẩn bị mẫu
Thử nghiệm BET yêu cầu xử lý trước mẫu cực kỳ cao và việc chuẩn bị không đúng cách có thể trực tiếp dẫn đến sai lệch kết quả.
2.1 Xử lý khử khí
Mục đích: Loại bỏ độ ẩm và khí tạp chất khỏi bề mặt mẫu để tránh ảnh hưởng đến dữ liệu hấp phụ.
Phương pháp: Khí trơ chân không hoặc có độ tinh khiết cao (như heli và nitơ) thường được sử dụng để khử khí.
Lựa chọn nhiệt độ: Đặt theo đặc tính vật liệu, thường nằm trong khoảng 80oC -350oC.
Vật liệu khung polymer hoặc hữu cơ: Nhiệt độ thấp (80-120oC) để tránh hư hỏng cấu trúc
Ôxit vô cơ và vật liệu cacbon: có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn (200-350oC)
2.2 Cỡ mẫu
Thông thường cần 50-300 mg mẫu, tùy thuộc vào thiết bị và loại vật liệu. Vật liệu bột phải được phân tán đều để tránh truyền nhiệt kém do tích tụ.
2.3 Phòng ngừa
Tránh ô nhiễm không khí: Sau khi quá trình khử khí hoàn tất, cần chuyển đến đầu phân tích càng sớm càng tốt để giảm khả năng hấp thụ độ ẩm.
Duy trì sự ổn định về cấu trúc: Đối với MOF xốp và các vật liệu khác, cần kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh sự sụp đổ tinh thể.
Độ lặp lại: Cố gắng kiểm tra cùng một lô mẫu trong cùng điều kiện càng nhiều càng tốt để cải thiện khả năng so sánh dữ liệu.
3, Các bước thử nghiệm BET
3.1 Thu được đường đẳng nhiệt giải hấp phụ
Tải ống mẫu → cố định trong bể mẫu
Xử lý khử khí → Đảm bảo độ sạch bề mặt
Làm mát bẫy lạnh → nitơ lỏng (77 K) hoặc các phương pháp làm mát khác
Tăng dần áp suất → ghi lại lượng hấp phụ khí dưới các áp suất tương đối khác nhau
Chu trình hoàn chỉnh → Thu được đường đẳng nhiệt giải hấp hấp phụ hoàn toàn
3.2 Lựa chọn khoảng thời gian BET
Thường được lắp trong khoảng 0,05-0,35 P/P0
Phải đáp ứng tiêu chí nhất quán BET
4, Xử lý và tính toán dữ liệu
4.1 Tính khả năng hấp phụ của lớp phân tử đơn
Bằng cách khớp tuyến tính phương trình BET, có thể thu được độ dốc (k) và điểm chặn (b) và có thể tính được các kết quả sau:
4.2 Tính diện tích bề mặt riêng
Cho diện tích mặt cắt ngang phân tử của chất khí (phân tử nitơ xấp xỉ 0,162 nm 2), thì:
cái mà:
(NA): hằng số Avogadro
(σ) Diện tích mặt cắt ngang của phân tử khí
(m): Chất lượng mẫu
4.3 Phân tích đường đẳng nhiệt giải hấp phụ
Ngoài diện tích bề mặt riêng BET, thông tin cũng có thể được lấy từ các đường đẳng nhiệt và vòng trễ:
Phân bố khẩu độ: được tính bằng phương pháp BJH hoặc DFT
Thể tích lỗ rỗng: ước tính từ khả năng hấp phụ dưới áp suất tương đối cao
Kiểu cấu trúc lỗ rỗng: Đường đẳng nhiệt I-VI và đường cong trễ tương ứng với các cấu trúc lỗ rỗng khác nhau
5、Các loại và phân tích cấu trúc lỗ chân lông
Ngoài diện tích bề mặt cụ thể, thử nghiệm BET kết hợp với BJH, DFT và các phương pháp khác cũng có thể cung cấp thông tin phân bố kích thước lỗ chân lông.
Micropores (<2 nm)
Lỗ trung (2-50 nm)
Lỗ lớn (>50 nm)
Khẩu độ lớn hơn 50 nm.
Trong quá trình hấp phụ nitơ, nó thường thể hiện đường đẳng nhiệt loại II và khả năng hấp phụ tiếp tục tăng khi áp suất tăng.
Bản thân macropores không đóng góp nhiều vào diện tích bề mặt cụ thể, nhưng chúng đóng vai trò là "kênh truyền" trong vật liệu cấu trúc xốp tổng hợp, có thể cải thiện hiệu suất khuếch tán.
Khẩu độ nằm trong khoảng 2-50 nm.
Nó thể hiện đường cong loại IV trong đường đẳng nhiệt giải hấp hấp phụ, với vòng trễ rõ ràng.
Hiện diện rộng rãi trong các vật liệu như silica, alumina, carbon trung tính, v.v.
Ưu điểm: Có lợi cho việc chuyển khối lượng phân tử, thường được sử dụng làm chất mang xúc tác.
Kích thước lỗ nhỏ hơn 2 nm, cung cấp diện tích bề mặt riêng cực cao.
Thường được tìm thấy trong than hoạt tính, zeolite, MOF, v.v.
Sự hấp phụ nitơ ở 77 K có thể bị hạn chế do khuếch tán và cần phải hấp phụ CO₂ để bổ sung cho phép đo.
6, Các vấn đề thường gặp và biện pháp phòng ngừa
Lựa chọn khoảng BET không đúng: Áp suất tương đối quá thấp hoặc quá cao có thể dẫn đến sai lệch khớp.
Khử khí quá mức hoặc không đủ:
Quá mức → sụp đổ cấu trúc vật chất
Không đủ → Tạp chất còn sót lại trên bề mặt, khả năng hấp phụ cao giả
Hoạt tính mẫu quá mức: Một số chất xúc tác có thể tương tác với nitơ trong quá trình thử nghiệm, cần đặc biệt chú ý.
Khó khăn trong việc so sánh kết quả: Các phòng thí nghiệm khác nhau có thể sử dụng các điều kiện tiền xử lý khác nhau, vì vậy khi công bố dữ liệu, cần chỉ rõ nhiệt độ khử khí, thời gian và loại khí hấp phụ.
7, Các lĩnh vực ứng dụng của thử nghiệm BET
Chất xúc tác phát triển
Diện tích bề mặt riêng càng lớn thì càng có nhiều tâm hoạt động và hoạt tính xúc tác thường cao hơn.
vật liệu năng lượng
Hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu điện cực cho pin lithium và tụ điện có liên quan chặt chẽ đến diện tích bề mặt cụ thể và cấu trúc lỗ rỗng của chúng.
Chất hấp phụ và vật liệu tách
Hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính, zeolit, MOF, v.v. phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bề mặt cụ thể.
quản trị môi trường
Vật liệu có diện tích bề mặt riêng cao cần thiết để hấp phụ và loại bỏ các chất ô nhiễm như VOC và các ion kim loại nặng.
Thử nghiệm diện tích bề mặt riêng BET, như một phương pháp mô tả đặc tính cổ điển và thực tế, đã được áp dụng trong lĩnh vực khoa học vật liệu trong hơn 80 năm. Thông qua việc chuẩn bị mẫu hợp lý, lựa chọn khoảng thời gian và xử lý dữ liệu, các nhà nghiên cứu có thể thu được thông tin chính xác về diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ rỗng, cung cấp hỗ trợ dữ liệu vững chắc cho thiết kế vật liệu và tối ưu hóa hiệu suất.
SAT NANO là nhà cung cấp tốt nhất vềvật liệu nano và vi môở Trung Quốc, chúng tôi có thể cung cấp bột kim loại, bột cacbua, bột oxit, v.v., chúng tôi không chỉ cung cấp sản phẩm mà còn cung cấp các dịch vụ thử nghiệm khác nhau như SEM, thử nghiệm BET, nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi tại sales03@satnano.com
