应用案例 | 气体吸附技术在多孔吸附剂表征中的应用

2024-06-26428

摘要

多孔吸附剂由于其独特的多孔结构和性能，在环境净化、能源存储和催化转化等领域扮演着重要角色。多孔吸附剂通常具有较高的比表面积和丰富的孔径分布，可以有效地与气体或液体中的分子发生相互作用。采用静态气体吸附法精准表征多孔吸附剂的比表面积和孔径分布等参数有助于深入了解多孔吸附剂的性质和吸附性能。

多孔吸附剂的比表面积和孔径分布表征

多孔吸附剂是一类具有高比表面积和丰富孔隙结构的材料，能够通过物理或化学吸附捕获并固定气体或液体中的分子，其种类繁多，包括无机多孔吸附剂（活性炭、硅胶等）、有机高分子吸附剂（离子交换树脂等）、配位聚合物（MOFs等）以及复合多孔吸附剂等。

示意图。来源：摄图网

深入理解多孔吸附剂的物理特性对于优化性能和拓展应用领域至关重要。比表面及孔径分析仪在多孔吸附剂行业的应用方向主要包括质量控制、研发新材料、优化分离工艺等。通过精确测试比表面积和孔径分布，可以有针对性地改进多孔吸附剂的性能以满足特定的应用需求，提高对目标分子的选择性吸附^[1]。

综上所述，通过气体吸附表征分析多孔吸附剂的比表面积及孔径分布，有利于评价多孔吸附剂的吸附能力、吸附选择性以及效率，对推动新型高效吸附剂的开发具有重要意义。

MOFs材料的气体吸附性能表征

金属有机框架材料（MOFs）因其高孔隙率、大比表面积、可调节的结构和易于功能化等特点，成为了备受关注的新型吸附材料。通过官能团修饰和孔径尺寸调节的协同调控作用，可以一定程度提升MOFs材料对CO₂的捕获和分离性能^[2]。

UiO-66是一种应用较多的MOFs吸附剂，常用于气体吸附、催化反应和分子分离等领域。以下是采用国仪量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对UiO-66材料的表征案例。如图1左所示，该UiO-66的比表面积为1253.41 m²/g，高比表面积可以提供更多的活性点位，有利于提高其吸附性能。从N₂-吸脱附等温线（图1中）可知，在低分压区（P/P₀＜0.1）吸附量存在急剧上升的趋势，说明材料中存在一定量的微孔结构，达到一定相对压力后吸附出现平台，随着压力增大吸附等温线继续上升直至吸附饱和。通过SF-孔径分布图（图1右）可得出该样品的最可几孔径为0.56 nm。通过设计和调控MOFs材料的比表面积和孔道结构，可进一步提高吸附的选择性和分离效果。

除了表面结构表征（BET表面积、孔径分布、孔体积等）之外，气体吸附技术还可用于评估多孔吸附剂在施加压力和应用温度条件下对各种气体的存储容量，如CO₂、CH₄和H₂等。

采用国仪量子自研的H-Sorb 2600高温高压气体吸附仪可实现材料在不同温度和不同压力环境下对H₂、CO₂、N₂、O₂、CH₄等多种气体的吸附能力以及分离能力检测，可有效表征材料吸脱附特性、吸脱附量以及吸脱附选择性等关键吸脱附气体性能。如图2所示，为了研究不同材料对CO₂气体吸附性能，在25℃条件下，测试两种MOFs材料对高压CO₂的吸附情况，在20 bar下两种材料对CO₂的吸附量分别为40.66 cm³/g和84.71 cm³/g，在两个CO₂等温线中都观察到脱附滞后现象，归因于MOF材料的结构变化^[3]。

碳纳米材料的比表面积和孔径分布表征

碳纳米材料指分散相尺度至少有一维小于100 nm的碳材料，通常具有高比表面积、独特的孔分布、高导电性和可调的电子结构，在储能、转化、催化和传感等领域具有广泛的应用前景^[4]。常见的碳纳米材料有碳气凝胶、石墨烯和碳纳米管等。

碳纳米材料的形态与结构，特别是孔结构、比表面积等基础参量在很大程度上决定其性质、功能及用途。采用国仪量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对碳气凝胶材料的比表面及孔径分布进行表征。如图3左所示，通过多点BET方程计算出比表面积为1637.82 m²/g。再进一步分析其N₂吸附-脱附等温线（图3右）可知，为典型的Ⅰ型等温线，在低分压区（P/P₀＜0.1）吸附量迅速增加，说明该碳气凝胶中具有丰富的微孔结构。从图4左的HK孔径分布图可知该样品存在分段纳米孔结构，在0.88nm、1.31nm和1.56nm处有集中孔分布，可通过孔径分析初步评价碳纳米材料的孔径调控方法及性能。通过t-Plot分析图（图4右）可得出该样品的微孔体积为0.63 ml/g，微孔面积为1627.51 m²/g，占总面积99.37%。深入研究碳气凝胶的比表面积及影响因素可以为其应用和性能优化提供参考依据。

活性炭材料的比表面积和孔径分布表征

活性炭是一种多孔碳质吸附剂，广泛应用于气相或液相污染物的吸附、气体储存和催化剂载体等领域。它的吸附性能主要受其物理参数如比表面积、孔容积和孔径分布的影响。

以下是采用国仪量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对不同类型活性炭材料的表征案例。图5中两种活性炭样品在300℃真空条件下加热2小时进行脱气处理后，测得木质活性炭和椰壳活性炭的比表面积分别为951.81m²/g和1393.75m²/g，较大的比表面积意味着更多的活性位点可用于吸附气体或液体分子。通过分析等温线（图6）可知，木质活性炭为I类和Ⅳ类复合等温线，椰壳活性炭主要属于Ⅰ类等温线，椰壳活性炭在低分压区有更高的吸附量。进一步采用NLDFT全孔径分析（图7）可知，木质活性炭的总孔体积为0.55ml/g，微孔体积占比62.90%，椰壳活性炭的总孔体积为0.62ml/g，微孔体积占比89.13%，椰壳活性炭具有更高的微孔体积及占比，与等温线分析结果一致。此外，孔径的大小直接影响到活性炭能够吸附的分子类型和大小，而孔径分布的均匀性则影响吸附过程的效率和选择性。通过精确调整制备条件来控制活性炭的比表面积和孔径分布等参数，可以设计出适合特定需求的高效吸附剂。