في مجالات علوم المواد والتحفيز والطاقة والبيئة، تعد مساحة السطح المحددة إحدى المعلمات المهمة لقياس أداء المواد. غالبًا ما ترتبط كفاءة امتصاص الكربون المنشط ونشاط المحفزات وأداء تخزين الطاقة لمواد الأقطاب الكهربائية ارتباطًا وثيقًا بمساحة سطحها. إن طريقة قياس مساحة السطح الأكثر استخدامًا حاليًا هي اختبار مساحة السطح المحددة BET. ستوفر هذه المقالة تحليلاً مفصلاً لاختبار BET من عدة جوانب، بما في ذلك المبادئ، وإعداد العينات، ومعالجة البيانات، والاحتياطات.
1- مبدأاختبار الرهان
1.1 ظاهرة الامتزاز ومساحة السطح المحددة
على سطح المواد الصلبة، سوف تلتصق جزيئات الغاز بسطح المادة في شكل امتزاز فيزيائي، وتشكل طبقات جزيئية مفردة أو متعددة. عندما تصل جزيئات الغاز إلى حالة الامتزاز المتوازنة على سطح المادة، تكون هناك علاقة معينة بين كمية الامتزاز والضغط النسبي للغاز. تم اقتراح نظرية BET بناءً على هذه الظاهرة.
1.2 معادلة الرهان
تم اقتراح نظرية BET (Brunauer Emmett Teller) في عام 1938، وجوهرها هو استخلاص طريقة حسابية لمساحة سطحية محددة من خلال سلوك الامتزاز متعدد الطبقات الجزيئية للغازات على الأسطح الصلبة.
معادلة BET هي في شكل:
أيّ:
(V) قدرة الامتزاز تحت الضغط النسبي (P/Po)
(Vm): قدرة امتصاص الطبقة الجزيئية الواحدة
(ف) ضغط الامتزاز
(Po): ضغط البخار المشبع
(ج) ثابت، مما يعكس الفرق بين حرارة الامتزاز وحرارة التبخر
بعد الحصول على سلسلة من بيانات الامتزاز من خلال التجارب، يمكن رسم رسم بياني خطي BET (عادة اختيار (P/Po) في نطاق 0.05-0.35)، ويمكن حساب Vm وC من المنحدر والتقاطع، وفي النهاية الحصول على مساحة السطح المحددة.
1.3 اختيار الغاز
وسائط الامتزاز شائعة الاستخدام هي:
النيتروجين (77 كلفن) → الاختيار الأكثر شيوعًا
غاز الأرجون (87 كلفن) → مناسب للمواد الصغيرة التي يسهل اختراقها
ثاني أكسيد الكربون (273 كلفن) → أكثر ملاءمة لقياس المسام الدقيقة
2- تحضير العينة
يتطلب اختبار BET معالجة مسبقة عالية للغاية للعينات، ويمكن أن يؤدي الإعداد غير المناسب بشكل مباشر إلى انحراف النتيجة.
2.1 علاج التفريغ
الغرض: إزالة غازات الرطوبة والشوائب من سطح العينة لتجنب التأثير على بيانات الامتزاز.
الطريقة: تُستخدم عادةً الغازات الخاملة الفراغية أو عالية النقاء (مثل الهيليوم والنيتروجين) في عملية تفريغ الغاز.
اختيار درجة الحرارة: يتم ضبطها وفقًا لخصائص المواد، بشكل عام في نطاق 80 درجة مئوية -350 درجة مئوية.
مواد الهيكل العظمي البوليمرية أو العضوية: درجة حرارة منخفضة (80-120 درجة مئوية) لتجنب الأضرار الهيكلية
الأكاسيد غير العضوية والمواد الكربونية: يمكن استخدامها في درجات حرارة أعلى (200-350 درجة مئوية)
2.2 حجم العينة
عادةً ما تكون العينة مطلوبة بمقدار 50-300 ملجم، اعتمادًا على نوع الأداة والمادة. يجب أن تكون مواد المسحوق مشتتة بالتساوي لتجنب سوء نقل الحرارة الناتج عن التراكم.
2.3 الاحتياطات
تجنب تلوث الهواء: بعد الانتهاء من عملية التفريغ، يجب نقله إلى نهاية التحليل في أسرع وقت ممكن لتقليل امتصاص الرطوبة.
الحفاظ على الاستقرار الهيكلي: بالنسبة للأطر العضوية المعدنية المسامية والمواد الأخرى، يجب التحكم في درجة الحرارة بعناية لتجنب انهيار البلورات.
التكرار: حاول اختبار نفس مجموعة العينات في ظل نفس الظروف قدر الإمكان لتحسين إمكانية مقارنة البيانات.
3، الخطوات التجريبية لاختبار BET
3.1 الحصول على متساوي الحرارة الامتزاز
تحميل أنبوب العينة → ثابت في تجمع العينة
معالجة التفريغ → ضمان نظافة السطح
تبريد المصيدة الباردة → النيتروجين السائل (77 كلفن) أو طرق التبريد الأخرى
قم بزيادة الضغط تدريجيًا ← قم بتسجيل كمية امتصاص الغاز تحت ضغوط نسبية مختلفة
دورة كاملة → الحصول على متساوي الحرارة الامتزاز الكامل
3.2 اختيار الفاصل الزمني للرهان
يتم تركيبه عادةً في نطاق 0.05-0.35 P/P0
يجب أن يستوفي معيار اتساق BET
4 、 معالجة البيانات والحساب
4.1 حساب قدرة الامتزاز لطبقة جزيئية واحدة
من خلال تركيب معادلة BET خطيًا، يمكن الحصول على الميل (k) والتقاطع (b)، ويمكن حساب ما يلي:
4.2 حساب مساحة السطح المحددة
بالنظر إلى مساحة المقطع الجزيئي للغاز (يبلغ طول جزيئات النيتروجين حوالي 0.162 نانومتر²)، فإن:
أيّ:
(NA): ثابت أفوجادرو
(σ) مساحة المقطع العرضي لجزيء الغاز
(م): جودة العينة
4.3 تحليل متساوي الحرارة الامتزاز
بالإضافة إلى مساحة سطح BET المحددة، يمكن أيضًا الحصول على المعلومات من متساوي الحرارة وحلقات التباطؤ:
توزيع الفتحة: يتم حسابه باستخدام طرق BJH أو DFT
حجم المسام: يقدر من قدرة الامتزاز تحت ضغط نسبي مرتفع
نوع بنية المسام: تتوافق متساوي الحرارة I-VI ومنحنيات التباطؤ مع هياكل المسام المختلفة
5 、 أنواع وتحليل الهياكل المسامية
بالإضافة إلى مساحة السطح المحددة، يمكن أن يوفر اختبار BET مع BJH وDFT وطرق أخرى أيضًا معلومات حول توزيع حجم المسام.
المسام الصغيرة (<2 نانومتر)
المسام المتوسطة (2-50 نانومتر)
المسام الكبيرة (> 50 نانومتر)
الفتحة أكبر من 50 نانومتر.
في امتزاز النيتروجين، عادة ما يُظهر تساوي الحرارة من النوع الثاني، وتستمر قدرة الامتزاز في الزيادة مع زيادة الضغط.
لا تساهم المسام الكبيرة بحد ذاتها كثيرًا في مساحة السطح المحددة، ولكنها تلعب دورًا "كقنوات نقل" في المواد الهيكلية المسامية المركبة، والتي يمكن أن تحسن أداء الانتشار.
الفتحة بين 2-50 نانومتر.
إنه يُظهر منحنى من النوع IV في متساوي الحرارة لامتصاص الامتزاز، مع حلقة تباطؤ واضحة.
موجود على نطاق واسع في مواد مثل السيليكا والألومينا والكربون المسامي وما إلى ذلك.
المزايا: مفيد لنقل الكتلة الجزيئية، ويستخدم عادة كحامل محفز.
حجم المسام أقل من 2 نانومتر، مما يوفر مساحة سطحية عالية جدًا.
توجد بشكل شائع في الكربون المنشط، والزيوليت، والأطر العضوية المعدنية، وما إلى ذلك.
قد يكون امتصاص النيتروجين عند 77 كلفن محدودًا بالانتشار، ويلزم امتصاص ثاني أكسيد الكربون لتكملة القياس.
6 、 المشاكل والاحتياطات الشائعة
الاختيار غير الصحيح للفاصل الزمني BET: يمكن أن يؤدي الضغط النسبي المنخفض جدًا أو المرتفع جدًا إلى انحراف التركيب.
التفريغ المفرط أو غير الكافي:
المفرط → انهيار الهيكل المادي
غير كافية → الشوائب السطحية المتبقية، قدرة الامتزاز عالية بشكل خاطئ
نشاط العينة المفرط: قد تتفاعل بعض المحفزات مع النيتروجين أثناء عملية الاختبار، الأمر الذي يتطلب اهتماما خاصا.
صعوبة مقارنة النتائج: قد تستخدم مختبرات مختلفة ظروف مختلفة للمعالجة المسبقة، لذلك عند نشر البيانات، ينبغي الإشارة إلى درجة حرارة التفريغ والوقت ونوع الغاز الممتز.
7 、 مجالات تطبيق اختبار الرهان
تطوير المحفز
كلما كانت مساحة السطح المحددة أكبر، زادت المواقع النشطة، وعادةً ما يكون النشاط التحفيزي أعلى.
مواد الطاقة
يرتبط أداء تخزين الطاقة لمواد الأقطاب الكهربائية لبطاريات الليثيوم والمكثفات ارتباطًا وثيقًا بمساحة السطح المحددة وبنية المسام.
الممتزات ومواد الفصل
يعتمد أداء الامتزاز للكربون المنشط، والزيوليت، والأطر العضوية المعدنية، وما إلى ذلك بشكل مباشر على مساحة السطح المحددة.
الإدارة البيئية
هناك حاجة إلى مواد ذات مساحة سطحية عالية لامتصاص وإزالة الملوثات مثل المركبات العضوية المتطايرة وأيونات المعادن الثقيلة.
تم تطبيق اختبار المساحة السطحية المحددة BET، باعتباره طريقة كلاسيكية وعملية للتوصيف، في مجال علم المواد لأكثر من 80 عامًا. من خلال إعداد العينات بشكل معقول، واختيار الفواصل الزمنية، ومعالجة البيانات، يمكن للباحثين الحصول على معلومات دقيقة عن مساحة السطح وبنية المسام، مما يوفر دعمًا قويًا للبيانات لتصميم المواد وتحسين الأداء.
SAT NANO هو أفضل مورد لـمادة النانو والجزئيةفي الصين، يمكننا توريد مسحوق معدني، ومسحوق كربيد، ومسحوق أكسيد وما إلى ذلك، نحن لا نوفر المنتج فحسب، بل نوفر أيضًا خدمات اختبار مختلفة مثل SEM واختبار BET، إذا كان لديك أي استفسار، فلا تتردد في الاتصال بنا على sales03@satnano.com
