BET容量法測定固體比表面積

柳 翱， 巴曉微， 劉 穎， 趙振波

（長春工業大學化學與生命科學學院，吉林長春 130012）

0 引 言

固體物質的比表面積大小是評選催化劑、了解固體表面性質和研究電極性質的重要參數。測定固體比表面積［1］的方法很多，但使用最普遍的是BET法［2－4］，BET法可分為靜態法和動態法。前者有容量法、重量法等；后者有常壓流動法、色譜法等。本實驗采用容量法，利用FINESORB－3020比表面及孔隙度分析儀測定樣品的比表面積和等溫吸附－脫附線。研究樣品量、樣品的預處理、載氣流速、平衡時間等對測定固體比表面積的影響。

1 實驗原理和方法

1.1 比表面積測定原理

1938年，勃魯瑙爾（Brunauer）、愛默特（Em－mett）和泰勒（Teller）（簡稱BET）在朗謬爾（Langmuir）吸附理論的基礎上建立了BET多分子層吸附理論［5］，據此假設，推導得BET方程如下：

式中：p——吸附質的吸附平衡壓力；

p＊——吸附質在吸附溫度時的飽和蒸汽壓；

Va——平衡壓力為p時吸附質的吸附量；

——吸附劑表面鋪滿單分子層時的吸附量（或單層飽和吸附量）；

c——與溫度、吸附熱和液化熱有關的常數。

通過實驗可以測量一系列的p和Va，以對作圖，可得一直線，由直線的斜率和截距數據可算出。若已知一個被吸附分子的截面積，則可以由計算出固體吸附劑的比表面積as：式中：S——一個吸附質分子的截面積；

m——固體吸附劑的質量；

L——阿伏伽德羅常數；

22 400——標準狀況下1mol氣體的體積，mL。

1.2 等溫吸附－脫附線的測定

等溫吸附－脫附線［6］的測定是在一定的溫度下對于給定的吸附劑和吸附質，測定吸（脫）附量與一系列相對壓力之間的變化關系。等溫吸附－脫附線的測定方法是靜態容量法［7－8］。靜態容量法測試通常在液氮溫度下進行。在樣品管中放置準確稱量的經預處理的吸附劑樣品，先經抽真空脫氣，再使整個系統達到所需的真空度，然后將樣品管浸入液氮浴中，并充入已知量氣體，吸附劑吸附氣體會引起壓力下降，待達到吸附平衡后測定氣體的平衡壓力，并根據吸附前后體系壓力變化計算吸附量。逐次向系統增加吸附質氣體量改變壓力，重復上述操作，測定不同相對壓力下的吸（脫）附量，獲得等溫吸附－脫附線。獲得等溫吸附－脫附線后，方能根據合適的理論方法計算出比表面積和孔徑分布等。

2 實驗部分

2.1 樣品預處理

在測定之前，需將樣品表面上原已吸附的氣體或蒸汽分子除去。具體做法如下：取一個干凈的樣品管在電子天平稱其質量，加入140mg左右的樣品，再稱質量。將樣品管接到FINESORB－3020型比表面及孔隙度分析儀脫氣站，打開真空泵，打開FINESORB－3020軟件，對脫氣站界面設置脫氣時間和脫氣溫度，進行脫氣。脫氣結束后，讓樣品管冷卻至室溫，取下樣品管，稱出空管加樣品的質量。

2.2 樣品測試

經預處理的樣品管接到儀器分析站，打開FINESORB－3020軟件，對分析站進行設置，點擊分析站開始，抽真空和系統檢漏，關閉軟件。重新打開軟件，對分析站進行設置，然后進入到測試進行界面，點擊分析站開始，開氮氣（分壓閥開到0．1MPa）。將裝有液氮的杜瓦瓶慢慢放入冷阱電梯與分析站電梯托盤，檢查杜瓦瓶口與樣品管是否對正。系統達到所需真空度后手動上升冷阱電梯，系統自動控制的分析站電梯上升。前期處理結束后，系統自動進行測定樣品的比表面積，測等溫吸附－脫附線。

3 結果與討論

3.1 等溫吸附－脫附線和BET圖

在優化的實驗條件下利用FINESORB－3020比表面及孔隙度分析儀測定白炭黑的等溫吸附－脫附等溫線和BET圖。所得結果如圖1和圖2所示。

圖1 N2在白炭黑上的吸附－脫附等溫線

圖2 白炭黑的BET圖

3.2 實驗條件對吸附量測試的影響

3．2．1 系統檢漏

系統的任何一處都有可能發生由于老化及其它原因而引起的漏氣。漏氣會影響到等溫線的數據，并在等溫線圖上有所反映。所以要對系統檢漏。

3．2．2 樣品量

氮氣吸附時所測樣品應能提供40～120m2的總表面積，小于這個范圍，測試結果相對誤差較大；大于這個范圍，會增加不必要的測試時間。建議樣品量不低于100mg。

3．2．3 樣品預處理

樣品在吸附測定前都必須通過加熱抽空處理，將其中吸附的水和其它污染物氣體脫附掉。否則樣品在分析過程中會繼續脫氣，抵消或增加樣品所吸附氣體的真實量，產生錯誤數據。脫氣時，應根據污染分子的吸附特性選擇合適的處理條件，注意不要引起樣品性質和結構的改變。

3．2．4 載氣流速

載氣分壓≤0．1MPa，若偏大，儀器電磁閥被沖開，測試結果偏差較大。

3．2．5 平衡時間

若平衡時間不夠，則所測得的樣品吸附量或脫附量小于達到平衡狀態的量，而且前一點的不完全平衡還會影響到后面點的測定，所以要確保平衡時間。

4 結 語

BET容量法測定固體的比表面積是一種很好的方法。通過優化一系列實驗條件：系統的檢漏、樣品量、樣品的預處理、控制載氣流速，保證平衡時間可以提高實驗結果的精準度。

［1］ Stoeckli F，Centeno T A．On the determination of surface areas in activated carbons［J］．Carbon，2005，43：1184－1190．

［2］ Toth J．Calculation of the BET－compatible surface area from any typeⅠisotherms measured above the critical temperature［J］．Journal of Colloid and Interface Science，2000，225：378－383．

［3］ Van Erp T S，Martens J A．A standardization for BET fitting of adsorption isotherms［J］．Microporous and Mesoporous Materials，2011，145：188－193．

［4］ 徐家寧，朱萬春，張億華，等．基礎化學實驗（下冊）物理化學和儀器分析實驗［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［5］ 莊繼華．物理化學實驗［M］．3版．北京：高等教育出版社，2004．

［6］ 賀德華，麻英，張連慶．基礎物理化學實驗［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［7］ 王尊本．綜合化學實驗［M］．2版．北京：科學出版社，2007．

［8］ 辛勤，羅孟飛．現代催化研究方法［M］．北京：科學出版社，2009．

［9］ 甄開吉．催化作用基礎［M］．3版．北京：科學出版社，2005．