物理吸附表征技术

中国粉体网讯  什么是物理吸附？

吸附是指物质在相界面上浓度自动发生变化的现象，大致分为物理吸附（吸附力是范德华力）和发生电子转移的化学吸附两类。吸附可以在固体和气体界面、固体和液体界面上产生，本文涉及的是气体在固体表面的物理吸附。物理吸附的主要特征：

具有高的普遍性和低的特异性；

发生物理吸附的分子能够保持它的原有性质，当解吸附发生时可以重新回到流动相，并保持原有形式不变；

物理吸附通常为放热过程，但所涉及的能量并不比吸附的凝结能大。

物理吸附中，具有吸附作用的物质称为吸附剂（如活性炭、硅胶、沸石、氧化铝等），而被吸附的物质称为吸附质（如氮气、氩气、氪气、CO₂等）。物理吸附测量的原理主要三种：静态容量法、流动法和重量法。当前广泛应用的物理吸附仪都是根据静态容量法而设计的。

不论什么材料，吸附量越大，代表材料的孔隙就越丰富。物理吸附技术也因为其研究方法的广泛适用性，结果的可靠性成为多孔材料比表面和孔径研究的首选方法，如COF、分子筛、碳材料、陶瓷、金属氧化物、电池正负极等。

物理吸附测量的目的

在工业生产和生活中，吸附现象广泛存在，比如在干燥、催化、液体净化、气体储存、呼吸防护、污染控制等领域中涉及的关键物质，物理吸附是实现其功能性的核心。要实现这些功能，这些材料在结构特性上就需要具备相应的特征，这些特征包括比表面积、孔隙率、孔径、孔体积、吸附热、吸附动力学等，其中比表面积、孔径、孔容等是最常用的表征参数。

物理吸附测量基础理论

物理吸附测试前需要先对吸附剂（固体材料）进行脱气，一般是在高温、真空条件下进行。脱气后进行吸附等温线的测量，在恒定温度下，从低压到高压逐渐进行投气吸附，获得在测试温度下的吸附等温线（如下图所示IUPAC分类法），横坐标为相对压力（p/p0)，纵坐标为特定吸附量。

不同类型的材料表现出不同特征的等温线，如I型等温线是微孔（＜2nm）材料的特征等温线，IV型等温线具有介孔（2nm～50nm）材料的吸附特征，III型等温线具有无孔或大孔（＞50nm）材料的吸附特征。

根据等温线，可以进一步进行数据分析，获得比表面积、孔径、孔容等常用特征参数。比表面积的计算基于单层吸附理论，最广泛使用的分析模型为BET方程。通过BET方程可以获得单层吸附容量，进而获得比表面积；能够使用BET方程计算比表面积的等温线必须在低压区具有线性相关范围。

用于孔径、孔容分析的模型较多，如微孔材料常用密度泛函理论（DFT）、DR、HK、SF等模型进行计算，介孔材料常用BJH、DFT模型计算，但每种模型都有其适用的范围和条件，也并不是所有的等温线都可以计算孔径和孔容。

常用物理吸附测试条件：

在77K温度进行氮气（N2）吸附

在87K温度进行氩气（Ar）吸附

在273K温度进行二氧化碳（CO₂)吸附

（中国粉体网编辑整理/青黎）

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