• 不同材料的低溫氮吸附規律性研究
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  • 摘要:為探究不同材料的低溫氮吸附規律,進而提高運用直接對比法測定比表面的準確性,以平均吸附層數為評定參數,研究氮氣分壓對不同材料吸附規律的影響特性。結果表明,氮氣分壓為0.3時,可使被測樣品和標準樣品的吸附特性一致,進而提高測試的準確性。

     

    關鍵詞:BET方程;平均吸附層數;動態法;比表面.

    1. 研究目的

    直接對比法比表面測定是動態流動色譜法比表面儀中最簡單的一種,它選擇已知比表面積(Sg0)的標準樣品,與被測樣品并聯到相同的氣路中,只要選定一個氮氣分壓,先后測出標樣和被測樣的吸附峰(或脫附峰)面積A0Ax,被測樣品的比表面可通過與標準樣品的直接對比得到:

    Sg=Sg0AxW0/A0Wx

    其中W0Wx分別為標樣和被測樣的重量。“直接對比法”測定比表面積有一定的局限性,即被測樣品和標準樣品的吸附特性必須一致,否則測試的準確性會受到影響。

    為探究恰當的實驗操作條件,使不同材料的低溫氮吸附性能一致,同時驗證廖寄喬[1]指出選用P/P0=0.3 的氮分壓應用在動態法的結論,本文以平均吸附層數為評定參數,研究不同氮氣分壓下不同材料的吸附特性,進而得到對不同材料均具有普適性的直接對比法比表面測定的操作條件。

    2. 研究方法

    2.1方法概述

    用氮吸附法測定不同氮氣分壓下材料的平均吸附層數,關鍵是得到單層飽和吸附量,但絕大多數材料的吸附特性不是單層吸附,而是所謂多層吸附

    BRUMAUER-EMMETT-TELLER三人在1938年提出了多分子層吸附理論,通過對氣體吸附過程的熱力學和動力學分析,推出了著名的氮吸附量隨氮氣分壓(P/P0)而變的BET方程:

    P/V(P0-P)=1/VmC+[(C-1)/VmC]P/P0

    可轉化為:

    1/V(P0/P -1)=1/VmC+[(C-1)/VmC]P/P0

    分析指出,(P/P0)在0.05-0.35范圍中,BET方程是一個線性方程,該直線的斜率與截距之和的倒數正好就是單層飽和吸附量,于是在此范圍中,選擇3-5個壓力點,測出每個壓力點的吸附量,然后按照BET方程作圖,即可求得單層飽和吸附量,結合各氮氣分壓下材料對氮氣的吸附量V進而求得不同氮氣分壓下材料的平均吸附層數n

    n=V/Vm

    2.2計算過程示例

    以標準炭黑G8為例,計算過程如下:

    1)根據標準炭黑G8的等溫吸附曲線,可以得到P/P0)和V,進而求得[1/V(P0/P -1)],如表1所示。以P/P0)為橫坐標、[1/V(P0/P -1)]為縱坐標,作圖可得到一條直線,如圖1所示。該直線的截距為(1/VmC)、斜率為[(C-1)/VmC],可以求得單層飽和吸附量,即斜率與截距之和的倒數,如表2所示。

    1 等溫吸附數據

    P/P0

    V

    1/V(P0/P-1)

    0.07618

    1.95456

    0.04219

    0.10151

    2.08946

    0.054071

    0.12622

    2.19825

    0.065713

    0.16786

    2.38078

    0.084729

    0.20538

    2.53767

    0.101851

    0.23791

    2.66807

    0.117006

    0.26927

    2.79717

    0.131738

     

    1.jpg

    1 炭黑標樣G8BET方程擬合圖

     

     

    2炭黑標樣G8的單層飽和吸附量

    截距

    斜率

    單層飽和吸附量Vm

    0.00711

    0.46232

    2.130243

     

    2)結合各氮氣分壓下材料對氮氣的吸附量,進而求得不同氮氣分壓下材料的平均吸附層數,由于當P/P0大于0.4以后,由于毛細吸附作用,材料在液氮溫度下吸附的氮氣不完全為氣態,因而選取0.10.20.30.4幾個P/P0點進行計算,結果如表3所示。

     

    3炭黑標樣G8平均吸附層數計算

    P/P0 選取

    P/P0 實際

    V

    單層飽和吸附量 Vm

    平均吸附層數

    0.1

    0.10151372

    2.08946

    2.130243061

    0.980855208

    0.2

    0.20538476

    2.53767

    2.130243061

    1.191258428

    0.3

    0.30171258

    2.9307

    2.130243061

    1.375758501

    0.4

    0.39556965

    3.35953

    2.130243061

    1.577064168

    3. 研究結果統計與分析

    3.1不同標準炭黑平均吸附層數統計

    按照炭黑標樣G8平均吸附層數計算方法,分別計算炭黑標樣E8A2C8在不同氮氣分壓下的平均吸附層數,其結果統計如表4所示,并得到炭黑標樣平均吸附層數隨氮氣分壓變化的曲線如圖2所示。

    根據圖2可知,在不同氮氣分壓下,炭黑標樣的吸附特性差異明顯,氮氣分壓從0.1增大到0.3,不同標準炭黑的平均吸附層數逐漸接近,其相對標準偏差由3.03%降至0.00%在氮氣分壓為0.3時,各類炭黑標樣的平均吸附層數最為接近,P/P00.4時,受毛細吸附作用的影響,吸附特性差異又變得明顯。

     

    4炭黑標樣平均吸附層數統計

    P/P0 選取

    標準炭黑(比表面m2/g

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    G8(9.1)

    0.98

    1.19

    1.38

    1.58

    E836.7

    1.03

    1.20

    1.38

    1.58

    A275.9

    1.04

    1.23

    1.38

    1.62

    C8126.32

    1.05

    1.23

    1.38

    1.61

    相對標準偏差RSD%

    3.03

    1.70

    0.00

    1.29

     

    2.jpg

    2炭黑標樣平均吸附層數 vs. 氮氣分壓

    3.3不同材料平均吸附層數統計

    為進一步驗證氮氣分壓對平均吸附層數的影響性,按照炭黑標樣G8平均吸附層數計算方法,分別計算不同材料平均吸附層數,其結果統計如表5所示,并得到不同材料平均吸附層數隨氮氣分壓變化的曲線如圖3所示。

    根據圖3可知,氮吸附相對壓力對平均吸附層數的影響較為顯著,隨著氮吸附相對壓力的增大,不同材料的吸附層數差異逐漸遞減,在氮氣相對壓力為0.3時,各類材料的平均吸附層數最為接近,P/P00.4時,受毛細吸附作用的影響,吸附特性差異又變得顯著。

     

    5不同材料平均吸附層數統計

    P/P0 選取

          材料名稱(比表面m2/g

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

     

    某汽車企業三元材料0.206m2/g

    1.08

    1.27

    1.38

    1.55

     

    吉林客戶鐵粉(0.258m2/g

    0.95

    1.15

    1.34

    1.57

     

    重慶某學院頁巖(22.85m2/g

    1.05

    1.24

    1.38

    1.48

     

    某化工大學碳纖維復合材料(25.03m2/g

    1.01

    1.18

    1.37

    1.65

     

    介孔材料193.1m2/g

    1.03

    1.24

    1.38

    1.60

     

    福建客戶白炭黑(196.2m2/g

    1.07

    1.23

    1.38

    1.54

     

    某研究所金屬氧化物(230m2/g

    1.04

    1.22

    1.37

    1.65

     

    德國客戶二氧化硅(295.9 m2/g

    1.06

    1.20

    1.38

    1.51

     

    山東客戶硅膠(529.8m2/g

    1.01

    1.21

    1.39

    1.56

    相對標準偏差RSD%

    3.84

    2.94

    1.04

    3.69

     

    3.jpg

    3不同材料平均吸附層數 vs. 氮氣分壓

    4. 結論

    在使用動態流動色譜法比表面儀“直接對比法”測定比表面積時,一般選擇用炭黑作為標準物質進行參比,為盡可能獲得真實的比表面積,應該保證待測樣品的吸附性能與炭黑最接近,所以應該選用氮氣分壓為0.3的混氣,該操作條件下被測樣品和標準樣品的吸附特性一致,確保直接對比法測試的準確性和重復性。

    參考文獻

     

    [1] 廖寄喬. 動態法測試固體材料比表面的誤差來源及修正方法[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 1936, 1(1): 85-88.

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  • 動態比表面儀
  • JW-D系列
  • 測試范圍:≥0.001m2/g
    重復精度:±1.0%
    同時進行3個被測樣品測試
    平均每個樣品5min

     

     

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