氮氣吸附法在測定材料比表面積和孑L徑分布方面的應用原理

謝瀟

摘要：比表面積和孔徑分布代表著材料的微觀結構特征，是表征多孔材料特性的兩個重要參數。氮氣吸附法是一種研究固體材料結構特性的有效手段。從理論出發，介紹了氮氣吸附法在測定材料比表面積和孔徑分布方面的應用原理。

關鍵詞：氮氣吸附法;孔徑分布;比表面積;應用原理

中圖分類號：TB30

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.09.003

1 引言

材料的比表面積指的是單位質量土體的總表面積，一般來說多孔材料的比表面積代表其所有孔隙表面積的總和。其值的大小與顆粒形態和外觀相關。孔徑分布是單位質量材料孔隙體積隨孔徑的變化率。比表面積和孔徑分布一定程度上代表著材料的微觀結構特征，并且對材料的許多宏觀特性有很大的影響[1-3]。因而，準確測定材料的比表面積和孔徑分布對于材料的宏觀物理力學特性等具有十分重要的意義。

多孔材料的比表面積和孔隙形貌的測定方法主要有壓汞法、氣體吸附法、流體通過法、X射線層析攝像（照相）法和顯微觀測統計法等[3]。后兩者是先獲得微結構照片，然后再利用圖像分析處理軟件等對獲得的圖片進行處理和統計，得到土體的比表面積和孔徑分布特征，缺點是對圖像處理技術的要求比較高，過程復雜。氣體吸附法、壓汞法、流體通過法可從實驗測試結果中直接對數據進行處理，得到孔徑分布及比表面積等。而壓汞法所產生的廢汞若處理不當會對環境造成一定的破壞;流體通過法受多種因素的影響，一般測得的結果偏低;而氮氣吸附法的應用范圍廣，是一種研究固體材料結構特性的重要且有效手段[4]。該方法借助氮分子作為一個標尺，來度量材料的表面積與孔容[5]。可用于測量大約0.1 -2 000 m2/g范圍內的比表面積以及3- 200 nm范圍內的孔徑[5]。其測試原理科學，測試過程可靠，在多孔材料的比表面積及孔徑分布測定中發揮了重要的作用。

2 氮氣吸附法測量比表面積原理

吸附法依據的是氣體分子的吸附特性。液氮溫度下（- 196.15℃），氮氣通過單純的物理吸附，吸附于吸附劑的表面，等溫度恢復到室溫，吸附的氮氣會脫附出來[6]。可以假定吸附在吸附劑表面的氮氣正好是一個分子層，如果知道每一個氮分子的橫截面積，則氮氣吸附的比表面積S_g公式為：

在式（2）中，比表面積S_g的單位為cm2。

從上面的描述可以看出，如果需要計算某材料的比表面積，須知道氮氣在其孔隙內表面的單層吸附量V_m。實際在大多數情況下，氮氣在材料的孔隙中并非是單層吸附，也就是材料表面吸附的氮氣可能是兩層或者更多分子層。

可將第一層吸附熱假定為定值，第二及以上各層的吸附熱為另一定值，在這種條件下，通過對氣體吸附過程進行熱力學與動力學分析，得出氮氣在材料的孔隙中真實吸附的體積V與單層吸附體積V_m之間的關系，即為著名的BET方程，具體公式為：

4 結論

氮氣吸附法的測試原理是依據氣體在固體表面的吸附特性，該方法是一種測量多孔材料比表面積和孔徑分布的最常用且有效的手段，適合測試材料的微中孔隙，以分析材料的微觀結構特征。

參考文獻：

[l]朱建群，易亮，龔琰，等.貴州紅黏土的脹縮性與水敏性研究[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2016 （4）：35-39.

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[3]劉培生.多孔材料比表面積和孔隙形貌的測定方法[J].稀有金屬材料與工程，2006，35 （Supp12）： 25-29.

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[5]舒霞，湯文明，程繼貴，等.比表面與孔徑分析儀的應用與管理[J].實驗室研究與探索，2011.30（ 10）： 201-203.

[6]鐘家湘.超細粉體的表面特征及我國測試儀器的進展[C]//2007年全國粉體工業技術大會，2007.