Malzeme bilimi, kataliz, enerji ve çevre alanlarında spesifik yüzey alanı, malzeme performansının ölçülmesinde önemli parametrelerden biridir. Aktif karbonun adsorpsiyon verimliliği, katalizörlerin aktivitesi ve elektrot malzemelerinin enerji depolama performansı genellikle yüzey alanlarıyla yakından ilişkilidir. Şu anda en yaygın kullanılan yüzey alanı ölçüm yöntemi BET'e özgü yüzey alanı testidir. Bu makale, ilkeler, numune hazırlama, veri işleme ve önlemler dahil olmak üzere çeşitli yönlerden BET testinin ayrıntılı bir analizini sağlayacaktır.
1、 PrensibiBAHİS testi
1.1 Adsorpsiyon olgusu ve spesifik yüzey alanı
Katı malzemelerin yüzeyinde gaz molekülleri, tekli veya çoklu moleküler katmanlar oluşturarak fiziksel adsorpsiyon şeklinde malzeme yüzeyine yapışacaktır. Gaz molekülleri malzeme yüzeyinde denge adsorpsiyonuna ulaştığında, adsorpsiyon miktarı ile gazın bağıl basıncı arasında belirli bir ilişki vardır. BET teorisi bu olguya dayanarak önerildi.
1.2 BAHİS denklemi
BET (Brunauer Emmett Teller) teorisi 1938'de önerildi ve esası, gazların katı yüzeyler üzerindeki çok moleküler katmanlı adsorpsiyon davranışı yoluyla belirli yüzey alanı için bir hesaplama yöntemi türetmektir.
BET denklemi şu şekildedir:
Hangi:
(V) Bağıl basınç altında adsorpsiyon kapasitesi (P/Po)
(Vm): Tek moleküler katman adsorpsiyon kapasitesi
(P) Adsorpsiyon basıncı
(Po): Doymuş buhar basıncı
(C) Sabit, adsorpsiyon ısısı ile buharlaşma ısısı arasındaki farkı yansıtır
Deneyler yoluyla bir dizi adsorpsiyon verisi elde edildikten sonra, bir BET doğrusal grafiği çizilebilir (genellikle 0,05-0,35 aralığında (P/Po) seçilerek) ve Vm ve C, eğim ve kesişim noktasından hesaplanarak sonuçta spesifik yüzey alanı elde edilebilir.
1.3 Gaz seçimi
Yaygın olarak kullanılan adsorpsiyon ortamları şunlardır:
Azot (77 K) → En yaygın seçim
Argon gazı (87 K) → mikro gözenekli malzemeler için uygundur
Karbon dioksit (273 K) → ultramikrogözenek ölçümü için daha uygundur
2、 Numune hazırlama
BET testi, numunelerin son derece yüksek düzeyde ön işleme tabi tutulmasını gerektirir ve yanlış hazırlık, doğrudan sonuç sapmasına yol açabilir.
2.1 Gazdan arındırma işlemi
Amaç: Adsorpsiyon verilerinin etkilenmesini önlemek için numunenin yüzeyinden nem ve safsızlık gazlarını uzaklaştırmak.
Yöntem: Gaz giderme için yaygın olarak vakum veya yüksek saflıkta inert gazlar (helyum ve nitrojen gibi) kullanılır.
Sıcaklık seçimi: Malzeme özelliklerine göre, genellikle 80°C -350°C aralığında ayarlayın.
Polimer veya organik iskelet malzemeleri: Yapısal hasarı önlemek için düşük sıcaklık (80-120 ℉)
İnorganik oksitler ve karbon malzemeler: daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir (200-350 ℃)
2.2 Örneklem büyüklüğü
Alet ve malzeme türüne bağlı olarak genellikle 50-300 mg numune gerekir. Birikmenin neden olduğu zayıf ısı transferini önlemek için toz malzemeler eşit şekilde dağılmalıdır.
2.3 Önlemler
Hava kirliliğinden kaçının: Gazdan arındırma işlemi tamamlandıktan sonra nem emilimini azaltmak için en kısa sürede analiz ucuna aktarılmalıdır.
Yapısal stabiliteyi koruyun: Gözenekli MOF'lar ve diğer malzemeler için, kristal çökmesini önlemek amacıyla sıcaklık dikkatle kontrol edilmelidir.
Tekrarlanabilirlik: Veri karşılaştırılabilirliğini geliştirmek için aynı numune grubunu mümkün olduğunca aynı koşullar altında test etmeye çalışın.
3、 BET testi deneysel adımları
3.1 Adsorpsiyon desorpsiyon izotermlerinin elde edilmesi
Numune tüpü yükleme → numune havuzunda sabit
Gaz giderme işlemi → Yüzey temizliğini sağlayın
Soğuk tuzak soğutma → sıvı nitrojen (77 K) veya diğer soğutma yöntemleri
Basıncı kademeli olarak artırın → farklı bağıl basınçlar altında gaz adsorpsiyon miktarını kaydedin
Döngüyü tamamlayın → Tam adsorpsiyon desorpsiyon izotermini elde edin
3.2 BAHİS aralığı seçimi
Genellikle 0,05-0,35 P/P0 aralığına takılır
BET tutarlılık kriterini karşılamalıdır
4、 Veri İşleme ve Hesaplama
4.1 Tek Moleküler Katmanlı Adsorpsiyon Kapasitesinin Hesaplanması
BET denkleminin doğrusal olarak uydurulmasıyla eğim (k) ve kesim noktası (b) elde edilebilir ve aşağıdakiler hesaplanabilir:
4.2 Spesifik yüzey alanının hesaplanması
Bir gazın moleküler kesit alanı göz önüne alındığında (azot molekülleri yaklaşık 0,162 nm²'dir), o zaman:
Hangi:
(NA): Avogadro sabiti
(σ) Gaz molekülü kesit alanı
(m): Örnek kalitesi
4.3 Adsorpsiyon desorpsiyon izotermlerinin analizi
BET'e özgü yüzey alanına ek olarak izotermlerden ve histerezis döngülerinden de bilgi elde edilebilir:
Diyafram dağılımı: BJH veya DFT yöntemleri kullanılarak hesaplanır
Gözenek hacmi: yüksek bağıl basınç altındaki adsorpsiyon kapasitesinden hesaplanır
Gözenek yapısı tipi: I-VI izotermleri ve histerezis eğrileri farklı gözenek yapılarına karşılık gelir
5、 Gözenek yapılarının türleri ve analizi
Spesifik yüzey alanına ek olarak, BJH, DFT ve diğer yöntemlerle birleştirilen BET testi de gözenek boyutu dağılımı bilgisi sağlayabilir.
Mikro gözenekler (<2 nm)
Mezogözenekler (2-50 nm)
Makrogözenekler (>50 nm)
Açıklık 50 nm'den büyüktür.
Azot adsorpsiyonunda genellikle tip II izoterm sergiler ve adsorpsiyon kapasitesi artan basınçla artmaya devam eder.
Makro gözeneklerin kendileri spesifik yüzey alanına çok fazla katkıda bulunmazlar, ancak kompozit gözenekli yapısal malzemelerde difüzyon performansını artırabilen "iletim kanalları" olarak rol oynarlar.
Açıklık 2-50 nm arasındadır.
Açık bir histerezis döngüsü ile adsorpsiyon desorpsiyon izoterminde IV tipi bir eğri sergiler.
Silika, alümina, mezogözenekli karbon vb. malzemelerde yaygın olarak bulunur.
Avantajları: Moleküler kütle aktarımı açısından faydalıdır, genellikle katalizör taşıyıcı olarak kullanılır.
Gözenek boyutu 2 nm'den küçüktür ve ultra yüksek spesifik yüzey alanı sağlar.
Yaygın olarak aktif karbon, zeolit, MOF'lar vb.'de bulunur.
Nitrojenin 77 K'de adsorpsiyonu difüzyonla sınırlanabilir ve ölçümü desteklemek için CO₂ adsorpsiyonu gereklidir.
6、 Yaygın sorunlar ve önlemler
BET aralığının yanlış seçilmesi: Çok düşük veya çok yüksek bağıl basınç, uyumun sapmasına neden olabilir.
Aşırı veya yetersiz gaz giderme:
Aşırı → malzeme yapısının çökmesi
Yetersiz → Yüzeyde kalan yabancı maddeler, adsorpsiyon kapasitesi hatalı şekilde yüksek
Aşırı numune aktivitesi: Bazı katalizörler test işlemi sırasında nitrojenle etkileşime girebilir ve bu da özel dikkat gerektirir.
Sonuçları karşılaştırmanın zorluğu: Farklı laboratuvarlar farklı ön arıtma koşulları kullanabilir, bu nedenle veriler yayınlanırken gazdan arındırma sıcaklığı, süresi ve adsorbe edilen gaz türü belirtilmelidir.
7、 BET testinin uygulama alanları
Katalizör geliştirme
Spesifik yüzey alanı ne kadar büyükse, o kadar aktif bölge vardır ve katalitik aktivite genellikle daha yüksektir.
enerji malzemeleri
Lityum piller ve kapasitörler için elektrot malzemelerinin enerji depolama performansı, spesifik yüzey alanı ve gözenek yapısıyla yakından ilgilidir.
Adsorbanlar ve ayırma malzemeleri
Aktif karbon, zeolit, MOF'ler vb.nin adsorpsiyon performansı doğrudan spesifik yüzey alanına bağlıdır.
çevre yönetimi
VOC'ler ve ağır metal iyonları gibi kirleticilerin adsorpsiyonu ve uzaklaştırılması için yüksek spesifik yüzey alanlı malzemeler gereklidir.
BET spesifik yüzey alanı testi, klasik ve pratik bir karakterizasyon yöntemi olarak malzeme bilimi alanında 80 yılı aşkın süredir uygulanmaktadır. Makul numune hazırlama, aralık seçimi ve veri işleme yoluyla araştırmacılar, malzeme tasarımı ve performans optimizasyonu için sağlam veri desteği sağlayarak doğru yüzey alanı ve gözenek yapısı bilgilerini elde edebilir.
SAT NANO en iyi tedarikçidirnano ve mikro malzemeÇin'de metal tozu, karbür tozu, oksit tozu vb. tedarik edebiliriz; yalnızca ürün tedarik etmiyoruz, aynı zamanda SEM, BET testi gibi farklı test hizmetleri de sağlıyoruz. Herhangi bir sorunuz varsa lütfen sales03@satnano.com adresinden bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.
