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應用案例 | 氣體吸附技術在多孔吸附劑表征中的應用

國儀精測 2024-06-26 | 閱讀：1490

摘要

多孔吸附劑由于其獨特的多孔結構和性能，在環境凈化、能源存儲和催化轉化等領域扮演著重要角色。多孔吸附劑通常具有較高的比表面積和豐富的孔徑分布，可以有效地與氣體或液體中的分子發生相互作用。采用靜態氣體吸附法精準表征多孔吸附劑的比表面積和孔徑分布等參數有助于深入了解多孔吸附劑的性質和吸附性能。

多孔吸附劑的比表面積和孔徑分布表征

多孔吸附劑是一類具有高比表面積和豐富孔隙結構的材料，能夠通過物理或化學吸附捕獲并固定氣體或液體中的分子，其種類繁多，包括無機多孔吸附劑（活性炭、硅膠等）、有機高分子吸附劑（離子交換樹脂等）、配位聚合物（MOFs等）以及復合多孔吸附劑等。

圖片示意圖。來源：攝圖網

深入理解多孔吸附劑的物理特性對于優化性能和拓展應用領域至關重要。比表面及孔徑分析儀在多孔吸附劑行業的應用方向主要包括質量控制、研發新材料、優化分離工藝等。通過精確測試比表面積和孔徑分布，可以有針對性地改進多孔吸附劑的性能以滿足特定的應用需求，提高對目標分子的選擇性吸附[1]。

綜上所述，通過氣體吸附表征分析多孔吸附劑的比表面積及孔徑分布，有利于評價多孔吸附劑的吸附能力、吸附選擇性以及效率，對推動新型高效吸附劑的開發具有重要意義。

MOFs材料的氣體吸附性能表征

金屬有機框架材料（MOFs）因其高孔隙率、大比表面積、可調節的結構和易于功能化等特點，成為了備受關注的新型吸附材料。通過官能團修飾和孔徑尺寸調節的協同調控作用，可以一定程度提升MOFs材料對CO2的捕獲和分離性能[2]

UiO-66是一種應用較多的MOFs吸附劑，常用于氣體吸附、催化反應和分子分離等領域。以下是采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對UiO-66材料的表征案例。如圖1左所示，該UiO-66的比表面積為1253.41 m2/g，高比表面積可以提供更多的活性點位，有利于提高其吸附性能。從N2-吸脫附等溫線（圖1中）可知，在低分壓區（P/P0＜0.1）吸附量存在急劇上升的趨勢，說明材料中存在一定量的微孔結構，達到一定相對壓力后吸附出現平臺，隨著壓力增大吸附等溫線繼續上升直至吸附飽和。通過SF-孔徑分布圖（圖1右）可得出該樣品的最可幾孔徑為0.56 nm。通過設計和調控MOFs材料的比表面積和孔道結構，可進一步提高吸附的選擇性和分離效果。

除了表面結構表征（BET表面積、孔徑分布、孔體積等）之外，氣體吸附技術還可用于評估多孔吸附劑在施加壓力和應用溫度條件下對各種氣體的存儲容量，如CO2、CH4和H2等。

采用國儀量子自研的H-Sorb 2600高溫高壓氣體吸附儀可實現材料在不同溫度和不同壓力環境下對H2、CO2、N2、O2、CH4等多種氣體的吸附能力以及分離能力檢測，可有效表征材料吸脫附特性、吸脫附量以及吸脫附選擇性等關鍵吸脫附氣體性能。如圖2所示，為了研究不同材料對CO2氣體吸附性能，在25℃條件下，測試兩種MOFs材料對高壓CO2的吸附情況，在20 bar下兩種材料對CO2的吸附量分別為40.66 cm3/g和84.71 cm3/g，在兩個CO2等溫線中都觀察到脫附滯后現象，歸因于MOF材料的結構變化[3]。

碳納米材料的比表面積和孔徑分布表征

碳納米材料指分散相尺度至少有一維小于100 nm的碳材料，通常具有高比表面積、獨特的孔分布、高導電性和可調的電子結構，在儲能、轉化、催化和傳感等領域具有廣泛的應用前景[4]。常見的碳納米材料有碳氣凝膠、石墨烯和碳納米管等。

碳納米材料的形態與結構，特別是孔結構、比表面積等基礎參量在很大程度上決定其性質、功能及用途。采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對碳氣凝膠材料的比表面及孔徑分布進行表征。如圖3左所示，通過多點BET方程計算出比表面積為1637.82 m2/g。再進一步分析其N2吸附-脫附等溫線（圖3右）可知，為典型的Ⅰ型等溫線，在低分壓區（P/P0＜0.1）吸附量迅速增加，說明該碳氣凝膠中具有豐富的微孔結構。從圖4左的HK孔徑分布圖可知該樣品存在分段納米孔結構，在0.88nm、1.31nm和1.56nm處有集中孔分布，可通過孔徑分析初步評價碳納米材料的孔徑調控方法及性能。通過t-Plot分析圖（圖4右）可得出該樣品的微孔體積為0.63 ml/g，微孔面積為1627.51 m2/g，占總面積99.37%。深入研究碳氣凝膠的比表面積及影響因素可以為其應用和性能優化提供參考依據。

活性炭材料的比表面積和孔徑分布表征

活性炭是一種多孔碳質吸附劑，廣泛應用于氣相或液相污染物的吸附、氣體儲存和催化劑載體等領域。它的吸附性能主要受其物理參數如比表面積、孔容積和孔徑分布的影響。

以下是采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對不同類型活性炭材料的表征案例。圖5中兩種活性炭樣品在300℃真空條件下加熱2小時進行脫氣處理后，測得木質活性炭和椰殼活性炭的比表面積分別為951.81m2/g和1393.75m2/g，較大的比表面積意味著更多的活性位點可用于吸附氣體或液體分子。通過分析等溫線（圖6）可知，木質活性炭為I類和Ⅳ類復合等溫線，椰殼活性炭主要屬于Ⅰ類等溫線，椰殼活性炭在低分壓區有更高的吸附量。進一步采用NLDFT全孔徑分析（圖7）可知，木質活性炭的總孔體積為0.55ml/g，微孔體積占比62.90%，椰殼活性炭的總孔體積為0.62ml/g，微孔體積占比89.13%，椰殼活性炭具有更高的微孔體積及占比，與等溫線分析結果一致。此外，孔徑的大小直接影響到活性炭能夠吸附的分子類型和大小，而孔徑分布的均勻性則影響吸附過程的效率和選擇性。通過精確調整制備條件來控制活性炭的比表面積和孔徑分布等參數，可以設計出適合特定需求的高效吸附劑。