低溫物理吸附實(shí)驗(yàn)

1、低溫物理吸附實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解2020型物理吸附儀的功能、原理及用途（2）掌握儀器的實(shí)際操作過程、軟件使用方法（3）學(xué)習(xí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)2方法原理低溫吸附法測定固體比表面和孔徑分布是依據(jù)氣體在固體表面的吸附規(guī)律。在恒定溫度下，在平衡狀態(tài)時，一定的氣體壓力，對應(yīng)于固體表面一定的氣體吸附量，改變壓力可以改變吸附量。平衡吸附量隨壓力而變化的曲線稱為吸附等溫線，對吸附等溫線的研究與測定不僅可以獲取有關(guān)吸附劑和吸附質(zhì)性質(zhì)的信息，還可以計(jì)算固體的比表面和孔徑分布。一比表面的計(jì)算與測定1Langmuir吸附等溫方程單層吸附理論模型：三點(diǎn)假設(shè)：吸附劑（固體）表面是均勻的；吸附粒子間的相互作用可以忽略；

2、吸附是單分子層。吸附等溫方程（Langmuir）4二1+vVm-bVm（1）式中：V氣體吸附量Vm單層飽和吸附量P吸附質(zhì)（氣體）壓力b常數(shù)_以v對p作圖，為一直線，根據(jù)斜率和截距可求出b和Vm,只要得到單分子層飽和吸附量Vm即可求出比表面積Sg。用氮?dú)庾魑劫|(zhì)時，Sg由下式求得Sg4.36VmW(2)式中：Vm用ml表示，W用g表示，得到是的比表面Sg為（m7g）。2.BET吸附等溫線方程一一多層吸附理論目前被公認(rèn)為測量固體比表面的標(biāo)準(zhǔn)方法。理論模型：假設(shè)：物理吸附是按多層方式進(jìn)行，不等第一層吸滿就可有第二層吸附，第二層上又可能產(chǎn)生第三層吸附，吸附平衡時，各層達(dá)到各層的吸附平衡。BET吸附等溫

3、方程：P1C-1PV-(P0-P)C-VmC-VmP0式中：VVmPP0C氣體吸附量單分子層飽和吸附量吸附質(zhì)壓力吸附質(zhì)飽和蒸氣壓常數(shù)將P/V（PO-P）對P/PO作圖為一直線，且1/（截距+斜率）=Vm,代入（2）式，即求得比表面積。用BET法測定比表面，最常用的吸附質(zhì)是氮?dú)?，吸附溫度在其液化點(diǎn)（一195D附近。低溫可以避免化學(xué)吸附。相對壓力控制在0.050.35之間，低于0.05時，不易建立多層吸附平衡，高于0.35時，發(fā)生毛細(xì)凝聚作用，吸附等溫線將偏離直線。吸附層數(shù)(n)：把公式(3)改寫得到如下方程：VP/(P-P)n，Vm(1/C)-1-(P/P0)P/P0(4)由(4)式可知，吸附劑

4、表面的吸附層數(shù)受兩個因素的影響，其一是吸附質(zhì)相對壓力P/P0；其二是C值，C值越大，吸附層越多，因此C值提供了與吸附劑吸附能力相關(guān)的信息，具有重要的意義。二孔徑分布的計(jì)算與測定根據(jù)孔半徑的大小，固體表面的細(xì)孔可以分成三類：微孔，孔徑2nm，活性炭、沸石、分子篩會有此類孔；中孔，孔徑250nm，多數(shù)超細(xì)粉體屬這一范圍；大孔，孔徑50nm，F(xiàn)e304、硅藻土等含此類孔。目前，常用壓汞法測定大孔范圍孔徑分布，用氣體吸附法測定中孔范圍孔徑分布。毛細(xì)凝聚模型：在毛細(xì)管內(nèi)，液體彎月面上的平衡蒸汽壓P小于同溫度下的飽和蒸氣壓P0，即在低于P0的壓力下，毛細(xì)孔內(nèi)就可以產(chǎn)生凝聚液，而且吸附質(zhì)壓力P/P0與發(fā)生凝

5、聚的孔的直徑一一對應(yīng)，孔徑越小，產(chǎn)生凝聚液所需的壓力也越小。凱爾文(kelvin)方程：開始發(fā)生毛細(xì)凝聚液的孔徑rk與吸附質(zhì)分壓的關(guān)系：TOC o 1-5 h zrk=0.414/log(P/P0)(5)赫爾塞方程：實(shí)際發(fā)生凝聚時，在毛細(xì)管壁上已有一層氮的吸附膜，其厚度t也決定于P/P0,可用赫爾塞方程表達(dá)如下：t=0.354-5/ln(P/P0)1/3(6)因此與P/P0相對應(yīng)的孔的實(shí)際尺寸rp為rp=rk+t(7)三孔徑分布的測定方法根據(jù)毛細(xì)凝聚理論，按照圓柱孔模型，把所有微孔按孔徑分為若干孔區(qū)，這些孔區(qū)由大而小排列。當(dāng)P/P0=1時，由公式(5)式可知，rk=即這時所有的孔中都充滿了凝聚

6、液,當(dāng)壓力由1逐級變小，每次大于該級對應(yīng)孔徑孔中的凝聚液就被脫附出來，直到壓力降低至0.4時，可得每個孔區(qū)中脫附的氣體量，把這些氣體量換算成凝聚液的體積，就是每一孔區(qū)中孔的體積。綜上所述，在氣體分壓從0.4到1的范圍中，測定等溫吸(脫)附線，按照毛細(xì)凝聚理論，即可計(jì)算出固體孔徑分布，孔徑測定的范圍是250nm。三測量氮吸附量的主要方法以上分析可知，通過氣體吸附的理論，只要我們能夠測定在一定條件下固體表面吸附或脫附的氣體量，我們就可以用相應(yīng)的理論方程計(jì)算出固體的比表面和孔徑分布，測量方法主要有如下幾種：1靜態(tài)重量法：在吸附系統(tǒng)中，用高精密天平，直接測定氣體吸附量，其精度取決于天平的精度，一般認(rèn)為

7、這類測試方法不適用于小比表面的測量。2靜態(tài)容量法：在已知容積的密閉系統(tǒng)中，放入吸附劑，在一系列的氮?dú)鈮毫ο拢_(dá)到吸附平衡，這時nRPV系統(tǒng)中的氣體壓力、溫度和容積符合氣態(tài)方程：T；每一個壓力變化的始態(tài)和終態(tài)所求得的氣體量之差，即代表著壓力變化后吸附劑吸附或脫附的氣體量。目前，進(jìn)口的氮吸附比表面和孔徑分布儀大多采用靜態(tài)容量法，比表面的測定范圍是0.1-2000tf/g,孔徑范圍是230nm。本儀器采用此方法。3動態(tài)法又可稱連續(xù)流動色譜法。動態(tài)法的基本特征是在氣體吸附或脫附的全過程中，用氣相色譜技術(shù)連續(xù)測得吸附或脫附的氣體量。流動色譜法的核心是采用熱導(dǎo)池工作站，實(shí)際上是一種氣體濃度傳感器系統(tǒng)，他可

8、以把樣品表面吸附或脫附時造成的氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換成一個電信號，并在時間-電位曲線上得到一個吸附(或脫附)峰，該峰面積對應(yīng)于一定的氣體吸附量，換言之，通過該峰面積求得氣體吸附量。3儀器試劑(1)儀器：ASAP2020M全自動比表面積及孔隙度分析儀美國麥克(Micromeritics)儀器公司(2)試劑：液氮、高純氮?dú)?、高純氦?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟(1)文件建立與設(shè)定打開計(jì)算機(jī)，調(diào)用“ASAP2020”程序，在Film/Open/Simpleinformaitiom中建立文件設(shè)置分析方法，選擇合適的脫氣溫度，吸附和脫附過程。選擇N2為吸附、脫附氣體按Save保存文件設(shè)置。(2)樣品準(zhǔn)備準(zhǔn)確稱取一定的樣

9、品放入樣品管中(同時記錄樣品管和樣品質(zhì)量，精確到0.0001g),將樣品管安裝到脫氣站上，套上加熱套(3)脫氣打開計(jì)算機(jī)，調(diào)用“ASAP2020”程序,設(shè)置分析方法，打開“Options”菜單，點(diǎn)擊“SampleDefaults”命令，根據(jù)樣品性質(zhì)及其分析項(xiàng)目設(shè)置參數(shù)：包括樣品信息，樣品管信息，脫氣條件,分析條件，吸附質(zhì)特性，報(bào)告等，保存方法。再打開“Options”菜單，點(diǎn)擊“StartDesgas”,選擇樣品進(jìn)行脫氣，然后開始脫氣，脫氣完畢計(jì)算機(jī)顯示脫氣完成。樣品分析將脫氣完成后的，樣品管從脫氣站取下，重新稱重，計(jì)算出脫氣后樣品的實(shí)際質(zhì)量，將樣品管套上保溫套，安放到分析站上，將樣品實(shí)際質(zhì)量填入原文件中“sampleinformation”的“Mass”一欄中，單擊保存，然后關(guān)閉文件。加一定量的液氮到分析站的杜瓦瓶中。點(diǎn)擊“Options菜單中的“StartAnalysis”進(jìn)行樣品分析。5注意事項(xiàng)(1)倒液氮要注意安全，一定戴上防護(hù)手套；(2)脫氣站有高溫，要注意防止?fàn)C傷；(3)儀器開啟狀態(tài)，脫氣杜瓦必須保證有足夠的液氮。6數(shù)據(jù)處理(1)從“Report”菜單中選擇報(bào)告文件(2)觀察吸附、脫附曲線形狀。分析其曲線類型。(3)分析曲線與BET數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，分析BJH吸附、脫附數(shù)據(jù)。7思考題(1)為什么吸附過程要在液氮中進(jìn)行？(2)低溫物理吸附測量比表面積的優(yōu)