安東帕康塔BET理論以及應(yīng)用

BET理論BET理論（Brunner-Emmett-Teller理論的縮寫）被用來測試固體或者多孔材料的比表面積。材料的比表面積大小能夠影響固體與周圍環(huán)境之間的相互作用，所以BET理論所給出的材料物理結(jié)構(gòu)方面的信息尤為重要。像溶解速率，催化性能，保濕性能，材料壽命這些眾多特性無一不與材料的比表面積息息相關(guān)。在固體材料的設(shè)計和生產(chǎn)參數(shù)把控方面，比表面積分析更是固體多孔材料性能表征的主要方法之一。我們將帶您一起了解BET比表面積分析過程和該方法的應(yīng)用領(lǐng)域。BET比表面積的確定方法：測試原理改變材料比表面積的方法有很多，如合成或者工藝處理。當(dāng)某個顆粒被分割成更小的顆粒時，新的表面就形成了，從而表面面積增加了。與此相似，當(dāng)顆粒內(nèi)部通過溶解、分解、或其它的一些物理或者化學(xué)的方法形成孔洞，它的表面積也會相應(yīng)增加。像活性炭這樣具有豐富的窄孔結(jié)構(gòu)的材料，僅1g就具有高達(dá)2000m2

的比表面積！在BET理論的應(yīng)用中，真正的比表面積包含表面的不規(guī)則部分和內(nèi)部孔洞，需要在原子級別上通過吸附惰性氣體來實現(xiàn)。因為多數(shù)氣體和固體之間的相關(guān)作用力比較微弱，必須要使用冷凝劑讓材料表面充分冷卻。發(fā)生吸附時，固體樣品的溫度保持恒定，而吸附氣體的壓力或者濃度持續(xù)增加。圖1展示了一個典型的物理吸附等溫線，橫坐標(biāo)是相對壓力，縱坐標(biāo)是樣品對該吸附氣的吸附量。圖1：吸附等溫線舉例隨著吸附氣體的相對壓力逐漸增大，越來越多的氣體分子將吸附在材料表面。當(dāng)吸附發(fā)生到一定階段時，整個材料表面將由單層氣體分子形成的分子層完全覆蓋（圖2深紅色部分）。我們可以通過此時的吸附體積計算得到單分子層的分子數(shù)目。單個分子所具有的橫截面積是已知的，因此我們可以計算出材料的表面積。然而氣體吸附中氣體的壓力和吸附量之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系（如圖1所示），因此我們必須選擇一個合適的數(shù)學(xué)模型來計算比表面積，這個數(shù)學(xué)模型就是BET方程。圖2：單分子層吸附形成的過程圖3：BET比表面積計算原理的解釋BET方程式BET方程（以Brunauer，Emmett以及Teller這三位建立此理論的科學(xué)家的名字命名的）發(fā)表于1938年（Brunauer，1938），此后成為確定固體材料氣體吸附領(lǐng)域中形成單分子層吸附所需要的分子個數(shù)Xm最為廣泛的方法。BET方程（見方程1）描述了既定的相對壓力P/P0和對應(yīng)的吸附分子數(shù)目之間的關(guān)系，C是一個和吸附熱相關(guān)的二級參數(shù)。方程1：BET方程BET方程描述了1/[X(P0/P)-1]vs.P/P0的之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。對于大多數(shù)固體材料，當(dāng)使用氮氣作為吸附質(zhì)時，等溫線僅僅在一個非常有限的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，這個范圍一般是相對壓力P/P00.05到0.35。圖4為一個典型的BET曲線。圖4：BET曲線舉例表面積SA可以通過方程2中的斜率和截距計算得到。方程2：表面積計算CSA是氣體吸附質(zhì)分子的橫截面積（Lowell,2004）BET原理的應(yīng)用任何固體材料都可能需要使用氣體吸附法的表征來得到它的比表面積。比表面積分析在常見領(lǐng)域中的應(yīng)用是極其重要的，如碳材料的生產(chǎn)和深加工，醫(yī)藥行業(yè)，催化行業(yè)，電池行業(yè)，陶瓷材料行業(yè)以及礦物行業(yè)。炭黑炭黑在橡膠生產(chǎn)行業(yè)，炭黑已成為應(yīng)用量最大的材料，可以用于增強橡膠的性能。炭黑的比表面積決定了它所能夠應(yīng)用的領(lǐng)域和相關(guān)性能。高比表面積的炭黑用于具有高耐磨性的領(lǐng)域中（輪胎胎面），而低比表面積的炭黑具有較低的硬度和抗拉強度，因此非常適合于電線絕緣等領(lǐng)域。制藥行業(yè)藥品許多藥物粉末是由多種原料混合而成的，包含了藥物活性組分（APIs），粘合劑、潤滑劑以及輔料。這些材料都需要BET比表面積的表征，以確保所選取的材料具有合適的溶解度，粘聚力和生物活性。催化行業(yè)固體均相催化劑被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)化過程中，它一般是由活性組負(fù)載在非活性的載體上而組成。兩個組分的表面積對反應(yīng)速率和產(chǎn)物收率都有影響，因此比表面積分析成為催化領(lǐng)域研發(fā)者和生產(chǎn)商至關(guān)重要的表征手段。催化劑電池行業(yè)電池不同的組件的性能，如電池正極，負(fù)極以及電池隔膜都可能受到它們比表面積的影響。電池的充電放電速率、電阻以及電容量都和這些材料的比表面積息息相關(guān)。更多資訊，請閱讀我們“電池正負(fù)極材料比表面積的確定”技術(shù)文檔。電池陶瓷材料陶瓷材料被應(yīng)用于數(shù)以萬計的日常產(chǎn)品中，如玻璃，水泥以及技術(shù)含量更高的半導(dǎo)體和芯片行業(yè)。比表面積對這類材料的燒結(jié)性能，保溫性能和濕度保持等都有影響。因此比表面積分析在陶瓷材料的選擇和生產(chǎn)上都具有非常重要的作用。結(jié)論應(yīng)用于氣體吸附法中的BET原理，可以在不考慮材料顆粒大小和形狀的前提下應(yīng)用于多孔和無孔材料的表征中。因此這是一個探究固體材料世界的利刃。參考文獻：Brunauer,S.etal.(1938).AdsorptionofGasesinMultimolecularLayers.JournaloftheAmericanChemicalSociety,pp.309–319.

Lowell,S.etal.(2004).CharacterizationofPorousSolidsandPowders:SurfaceArea,PoreSizeandDensity.1sted.Dordrecht,TheNetherlands:Springer.

Thommes,M.etal.(2015).Physisorptionofgases,withspecialreferencetothee