比表面积及孔径分析简介 ppt课件

(1-7)
脱附速率＝kdθ
(1-8)
2021/3/10
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程
当达到动态平衡时，
kap(1-)kd
kap
Kp
θ=
=
kd+kap 1+Kp
(1-9) (1-10)
其中
KkaK0exQ p/(RT ) Q为吸附热 kd
式中： p――吸附质蒸气吸附平衡时的压力；
单分子层吸附等温方程 ——朗格谬尔（Langmuir）等温方程
模型的基本假定：
吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位具有相同的能量；
被吸附分子间的作用力可略去不计；
属单层吸附，且每个吸附位吸附一个质点；
吸附是可逆的。
用θ表示覆盖度，即吸附剂表面被气体分子覆盖的分数， 未被覆盖分数应为(1-θ)，则
吸附速率＝kap(1-θ)
*气－固接触面来说，由于固体表面分子受力不均衡，就产生一个剩余 力场，这样就对气体分子产生吸附作用。 *吸附的分子仍是在不断运动的（例如振动）。 *气体分子能克服固体表面的引力，会离开表面造成脱附。 *吸附与脱附之间可以建立动态平衡.
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吸附剂:具有吸附能力的固体物质.
吸附质:被吸附剂所吸附的物质,(如氮气).
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▀化学吸附
*化学吸附类似于化学反应，吸附质分子与吸附剂表面原 子间形成吸附化学键。
*被化学吸附的分子与原吸附质分子相比，由于吸附键的 强烈影响，结构变化较大。
*由于化学吸附同化学反应一样只能在特定的吸附剂－吸 附质之间进行所以具有专一性，并且在表面只能吸附一 层。
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比表面（specific surface area）与分散度

文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
催化剂比表面积和孔结构测定
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联

比表面积和孔结构测定简介
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
谢谢你、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非

*埃米特和布郎诺尔曾经提出77K（-195℃）时液态六方密
堆积的氮分子横截面积取0.162nm2，将它代入式（1-14）
后，简化得到BET氮吸附法比表面积的常见公式：
Sg=4.32vm 5 m2/g
(1-15)
*实验结果表明，多数催化剂的吸附实验数据按BET作图时
的直线范围一般是在p/p0 0.05-0.35之间。 *C常数与吸附质和表面之间作用力场的强弱有关。给定不 同的C值，并以v/vm对p/p0作图，就得到下图的一组曲线。
自第二层开始至第n层（n→∞），各层的吸附热都等于吸附质的液化热。
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多分子层吸附等温方程 ——BET吸附等温式
按照朗格谬尔吸附等温方程的推导方法同样可得到BET
吸附等温方程：
p ＝1 C－ 1•p v(po－ p) vmC vmC po
（1-12）
式中 p0――吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压； vm——单分子层饱和吸附量； C——BET方程C常数，其值为exp{(E1-E2)/RT},
E1为第一吸附层的吸附热。 由式（1-12）可见，当物理吸附的实验数据按 p/v (p0-p) 与
p/p0 作图时应得到一条直线。直线的斜率m = (C-1) /(vmC),在 纵轴上的截距为b=1/(vmC)，所以
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C=m/b+1 vm=1/m (+b) P 1 C1P
VP0PCm VCm VP0
吸附的不可逆性造成的。
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吸附等温方程
吸附现象的描述除用上述的等温线外，有些吸附现 象可以用数学方程来描述。
描述吸附现象比较重要的数学方程有： 朗格谬尔（Langmuir）等温方程 BET吸附等温方程 弗朗得利希(Freundich)等温方程 焦姆金(Temkin)等温方程

BET吸附等温方程（1-12）――――单层饱和吸附量
vm：
1 vm = 斜率＋截距
(1-13)
设每一个吸附分子的平均截面积为Am(nm2) ，此 Am就是该吸附分子在吸附剂表面上占据的表面积：
Vm Sg = Am ×NA ×
×10-18
m2/g
(1-14)
22414
式中 NA——阿伏伽德罗常数（6.02x1023）。
p/p0 作图时应得到一条直线。直线的斜率m = (C-1) /(vmC),在
C = m/b +1 vm = 1/(m + b)
P
V P0
P

1 Vm

C 1 CVm
P P0
以P/V(P0-P)对P/P0作图, 得一直线
5
根据直线的斜率和截距,可求出形成单分子层的吸 附量Vm=1/(斜率+截距)和常数C=斜率/截距+1.
按照朗格谬尔吸附p 等温＝方1程的 推C－导1方 法p 同样可得到BET吸 附等温方程： v( po－p) vmC vmC po
（1-12）
式中 p0――吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压； vm——单分子层饱和吸附量； C——BET方程C常数，其值为exp{(E1-E2)/RT},
E1为第一吸附层的吸附热。 由式（1-12）可见，当物理吸附的实验数据按 p/v (p0-p) 与
吸附时有孔壁的多分子层吸附和在孔中凝聚两种因素产 生，而脱附仅由毛细管凝聚所引起。 这就是说，吸附时首先发生多分子层吸附，只有当孔壁上的 吸附层达到足够厚度时才能发生凝聚现象；而在与吸附相同
的p/p0比压下脱附时，仅发生在毛细管中的液面上的蒸汽， 却不能使p/p0下吸附的分子脱附，要使其脱附，就需要更小 的p/p0 ，故出现脱附的滞后现象，实际就是相同p/p0下吸

着水泥水化的进行，孔的连通性降低，离子的传输性能也随之降低。由此，
可将毛细孔分为3种：瓶颈效应的收缩孔、曲折效应的曲折孔和孔被水化产 物阻断的非连通孔。
水泥基材料是具有复杂孔结构的多孔材料，其孔隙尺度跨越了
纳米、微米、毫米３个不同层次的数量级。这些大小不同的孔隙 对材料的物化特性和耐久性有着重要的影响，因此相关的研究一
而实际上，压汞法对纳米级孔的测定是不准确的，
因为为了得到小尺寸孔的数据，需耍极大地提高测试 压力，这往往可能损害试样内部的微观结构，以至于 变形甚至压塌，使结果偏离理论值。
气体吸附法测定比表面积利用的是多层吸附的原理。 物质表面在低温下发生物理吸附,假定固体表面是均 匀的,所有毛细管具有相同的直径;吸附质分子间无相互 作用力；可以有多分子层吸附且气体在吸附剂的微孔和 毛细管里会进行冷凝。
直是关注的热点。
通常，孔隙率、孔分布和孔比表面积是描述孔结构３个方面的 指标，因此，各种分析测试方法也是围绕这３个方面的内容展开。 目前常用的测孔方法有光学法、压汞法、等温吸附法、核磁共 振、X射线小角度衍射等。但每一种方法都有其局限性。
最常用确定孔径分布的方法是BET和MIP,两者的测 试结果往往得到不同的分布,这是因为压汞法测量处理 的是孔喉直径,而不是孔隙本身。 压汞法通常需在 200MPa 以下进行,压强不能过高, 因而限制了孔径的测量下限，一般压汞法可测 400um1.8nm 范围较宽的孔分布。
从水泥化学的观点来看，水泥水化的凝胶产物具有巨大 的比表面积，所以浆体比表面积的增长是水泥水化反应的必 然结果，同时，比面积增长的速率可以反映水化反应的快慢。 水化早期孔比表面积的动态增长：
比表面积随水化时间的变化按照增长的速率可以清晰地分为３个阶 段，每一个阶段的增长变化可以结合水泥的水化进程进行解释。

Brunauer分类的五种等温线类型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型曲线是凸形
Ⅲ、Ⅴ型是凹形
Ⅰ型等温线相当于朗格谬尔单层可逆吸附过程。
Ⅱ型等温线相当于发生在非孔或大孔固体上自由的单一 多层可逆吸附过程，位于p/p0=0.05-0.10的B点，是等温线
的第一个陡峭部，它表示单分子层饱和吸附量。
Ⅲ型等温线不出现B点，表示吸附剂与吸附质之间的作用 很弱.
斜率＋截距
设每一个吸附分子的平均截面积为Am(nm2) ，此 Am就是该吸附分子在吸附剂表面上占据的表面积： (1-14) Vm -18 2
Sg = Am ×NA × ×10 22414 m /g
式中 NA——阿伏伽德罗常数（6.02x1023）。
*埃米特和布郎诺尔曾经提出77K（-195℃）时液态六方密堆 积的氮分子横截面积取0.162nm2，将它代入式（1-14）后， 简化得到BET氮吸附法比表面积的常见公式： (1-15) 2
（1-12） 式中 p0――吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压； vm——单分子层饱和吸附量；
C——BET方程C常数，其值为exp{(E1-E2)/RT},
E1为第一吸附层的吸附热。 由式（1-12）可见，当物理吸附的实验数据按 p/v (p0-p) 与 p/p0 作图时应得到一条直线。直线的斜率m = (C-1) /(vmC),在
吸附剂:具有吸附能力的固体物质. 吸附质:被吸附剂所吸附的物质,(如氮气).
通常采用氮气,氩气或氧气为吸附质进行多孔物的比 表面,孔体积,孔径的大小和分布的测定.也可通过完 整的吸附脱附曲线计算出介孔部分和微孔部分的体 积和表面积等.
吸附平衡等温线:以压力为横坐标,恒温条件下吸附质在
吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线. 通常用比压(相对压力)p/p0表示压力,p 仅由毛细管凝聚所引起。

通过比表面积和孔结构分析技术，可以优化吸附剂的制备工艺，提高吸附和分离过 程的效率和纯度。
电池和超级电容器
在电池和超级电容器中，电极材 料的比表面积和孔结构对电化学
性能有重要影响。
比表面积越大，电极材料与电解 液接触的表面积越大，反应活性 越高。孔结构则影响电解液的渗
透和离子的传输。
通过比表面积和孔结构分析技术， 可以优化电极材料的制备工艺， 提高电池和超级电容器的能量密 度、充放电性能和循环寿命。
比表面积和孔结构分析技 术
• 引言 • 比表面积分析技术 • 孔结构分析技术 • 比表面积和孔结构在材料科学中的应
用 • 结论
01
引言
目的和背景
目的
比表面积和孔结构分析技术是材料科学和工程领域中重要的研究手段，用于评 估材料的表面特性和孔隙结构，进而了解材料的物理、化学和机械性能。
背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高，材料的比表面积和孔结构对性 能的影响越来越受到关注。因此，发展高效的比表面积和孔结构分析技术对于 材料研究和应用具有重要意义。
THANKS
感谢观看
比表面积和孔结构的重要性
比表面积
材料的比表面积是指单位质量或单位 体积的表面积，它决定了材料与气体 的接触面积，影响材料的吸附、反应 和催化性能。
孔结构
重要性
通过对比表面积和孔结构的分析，可 以深入了解材料的表面性质和内部结 构，为优化材料性能、开发新材料提 供重要依据。
材料的孔结构包括孔径、孔容、孔分 布等参数，这些参数直接影响材料的 储气、吸水、吸油、过滤等性能。
Langmuir方法
01
Langmuir方法是另一种测量固体物质比表面积的方法。
02

Sg = Am ×NA × 22414 ×10 m /g
式中 NA——阿伏伽德罗常数（6.02x1023）。
1.2.1 BET法
*埃米特和布郎诺尔曾经提出77K（-195℃）时液态六方密堆 积的氮分子横截面积取0.162nm2，将它代入式（1-14）后， 简化得到BET氮吸附法比表面积的常见公式：
(1-11）
式（1-10）与式（1-11）都称为朗格谬尔吸附等温式，他们在用v对p作图时的形状
与Ⅰ型吸附等温线相同。实际上，分子筛或只含微孔的活性炭吸附蒸汽时的吸附 等温线就是Ⅰ型的，因此Ⅰ型又称为朗格谬尔吸附等温线。 式（1-11）在用p/v对p作图时是一条直线，其斜率为1/vm，截距为1/(vmK)，由此 可以求出单分子层饱和吸附量vm。
*假设温度控制在气体临界温度下，
α=f ( p/p0)
式中p0－－吸附质饱和蒸汽压
(1-5)
*气体吸附量普遍采用的是以换算到标准状态（STP）时的
气体体积容量（cm3或ml）表示，于是方程(1-5)改写为：
v= f ( p/p0)
(1-6)
Brunauer分类的五种等温线类型
Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ型曲线是凸形
1.1 物理吸附理论简单介绍 1.2 表面积计算 1.3 孔结构分析
1.1 物理吸附理论简单介绍
1.1.1 吸附现象及其描述
•吸附现象:
吸附作用指的是一种物质的原子或分子附着在另一种物 质表面上的过程-----物质在界面上变浓的过程。界面上的 分子与相里面的分子所受的作用力不同而引起的。
*气－固接触面来说，由于固体表面分子受力不法 其它方法
1.2 表面积计算
1.2.1 BET法
BET吸附等温方程（1-12）――――单层饱和吸附量 vm ： 1 (1-13) vm =