Dans les domaines de la science des matériaux, de la catalyse, de l’énergie et de l’environnement, la surface spécifique est l’un des paramètres importants pour mesurer les performances des matériaux. L'efficacité d'adsorption du charbon actif, l'activité des catalyseurs et les performances de stockage d'énergie des matériaux d'électrode sont souvent étroitement liées à leur surface. La méthode de mesure de surface la plus largement utilisée actuellement est le test de surface spécifique BET. Cet article fournira une analyse détaillée des tests BET sous plusieurs aspects, notamment les principes, la préparation des échantillons, le traitement des données et les précautions.
1、Le principe deTests PARI
1.1 Phénomène d'adsorption et surface spécifique
À la surface des matériaux solides, les molécules de gaz adhéreront à la surface du matériau sous forme d’adsorption physique, formant une ou plusieurs couches moléculaires. Lorsque les molécules de gaz atteignent un équilibre d'adsorption sur la surface du matériau, il existe une certaine relation entre la quantité d'adsorption et la pression relative du gaz. La théorie BET a été proposée sur la base de ce phénomène.
1.2 Équation BET
La théorie BET (Brunauer Emmett Teller) a été proposée en 1938 et son noyau est de dériver une méthode de calcul de la surface spécifique à travers le comportement d'adsorption multicouche moléculaire des gaz sur des surfaces solides.
L’équation BET se présente sous la forme :
lequel:
(V) Capacité d'adsorption sous pression relative (P/Po)
(Vm) : Capacité d’adsorption d’une seule couche moléculaire
(P) Pression d'adsorption
(Po) : Pression de vapeur saturée
(C) Constante, reflétant la différence entre la chaleur d'adsorption et la chaleur de vaporisation
Après avoir obtenu une série de données d'adsorption grâce à des expériences, un graphique linéaire BET peut être tracé (en sélectionnant généralement (P/Po) dans la plage de 0,05 à 0,35), et Vm et C peuvent être calculés à partir de la pente et de l'interception, pour finalement obtenir la surface spécifique.
1.3 Sélection du gaz
Les médias d'adsorption couramment utilisés sont :
Azote (77 K) → Choix le plus courant
Gaz Argon (87 K) → adapté aux matériaux microporeux
Dioxyde de carbone (273 K) → plus adapté à la mesure des ultramicropores
2、Préparation des échantillons
Les tests BET nécessitent un prétraitement extrêmement poussé des échantillons, et une préparation inappropriée peut directement entraîner un écart des résultats.
2.1 Traitement de dégazage
Objectif : Éliminer l'humidité et les gaz d'impuretés de la surface de l'échantillon pour éviter d'affecter les données d'adsorption.
Méthode : Des gaz inertes sous vide ou de haute pureté (tels que l’hélium et l’azote) sont couramment utilisés pour le dégazage.
Sélection de la température : définie en fonction des propriétés du matériau, généralement dans la plage de 80 ℃ à 350 ℃.
Matériaux de squelette polymères ou organiques : Basse température (80-120 ℃) pour éviter les dommages structurels
Oxydes inorganiques et matériaux carbonés : peuvent être utilisés à des températures plus élevées (200-350 ℃)
2.2 Taille de l'échantillon
Habituellement, 50 à 300 mg d'échantillon sont nécessaires, selon l'instrument et le type de matériau. Les matériaux en poudre doivent être uniformément dispersés pour éviter un mauvais transfert de chaleur causé par l'accumulation.
2.3 Précautions
Évitez la pollution de l'air : une fois le dégazage terminé, il doit être transféré à l'extrémité d'analyse dès que possible pour réduire l'absorption d'humidité.
Maintenir la stabilité structurelle : pour les MOF poreux et autres matériaux, la température doit être soigneusement contrôlée pour éviter l'effondrement des cristaux.
Répétabilité : essayez autant que possible de tester le même lot d’échantillons dans les mêmes conditions pour améliorer la comparabilité des données.
3、 BET étapes expérimentales des tests
3.1 Obtention des isothermes d'adsorption et de désorption
Chargement du tube d'échantillon → fixe dans le pool d'échantillons
Traitement de dégazage → Assurer la propreté des surfaces
Refroidissement par piège froid → azote liquide (77 K) ou autres méthodes de refroidissement
Augmentez progressivement la pression → enregistrez la quantité d'adsorption de gaz sous différentes pressions relatives
Cycle complet → Obtenir l’isotherme d’adsorption et de désorption complète
3.2 Sélection de l'intervalle BET
Généralement installé dans la plage de 0,05 à 0,35 P/P0
Doit répondre au critère de cohérence BET
4、Traitement des données et calcul
4.1 Calcul de la capacité d’adsorption d’une seule couche moléculaire
En ajustant linéairement l'équation BET, la pente (k) et l'origine (b) peuvent être obtenues, et les éléments suivants peuvent être calculés :
4.2 Calcul de la surface spécifique
Étant donné la section transversale moléculaire d'un gaz (les molécules d'azote mesurent environ 0,162 nm²), alors :
lequel:
(NA) : constante d'Avogadro
(σ) Surface transversale de la molécule de gaz
(m) : Qualité de l'échantillon
4.3 Analyse des isothermes d'adsorption et de désorption
En plus de la surface spécifique BET, des informations peuvent également être obtenues à partir des isothermes et des boucles d'hystérésis :
Distribution d'ouverture : calculée à l'aide des méthodes BJH ou DFT
Volume poreux : estimé à partir de la capacité d’adsorption sous haute pression relative
Type de structure des pores : les isothermes I-VI et les courbes d'hystérésis correspondent à différentes structures des pores
5、 Types et analyse des structures poreuses
En plus de la surface spécifique, les tests BET combinés avec BJH, DFT et d'autres méthodes peuvent également fournir des informations sur la distribution de la taille des pores.
Micropores (<2 nm)
Mésopores (2-50 nm)
Macropores (>50 nm)
L'ouverture est supérieure à 50 nm.
Dans l'adsorption d'azote, il présente généralement une isotherme de type II et la capacité d'adsorption continue d'augmenter avec l'augmentation de la pression.
Les macropores eux-mêmes ne contribuent pas beaucoup à la surface spécifique, mais ils jouent un rôle de « canaux de transmission » dans les matériaux structurels poreux composites, ce qui peut améliorer les performances de diffusion.
L'ouverture est comprise entre 2 et 50 nm.
Il présente une courbe de type IV dans l’isotherme d’adsorption et de désorption, avec une boucle d’hystérésis claire.
Largement présent dans les matériaux tels que la silice, l'alumine, le carbone mésoporeux, etc.
Avantages : Bénéfique pour le transfert de masse moléculaire, couramment utilisé comme support de catalyseur.
Taille des pores inférieure à 2 nm, offrant une surface spécifique ultra élevée.
Couramment trouvé dans le charbon actif, la zéolite, les MOF, etc.
L'adsorption de l'azote à 77 K peut être limitée par la diffusion, et l'adsorption du CO ₂ est nécessaire pour compléter la mesure.
6、 Problèmes courants et précautions
Mauvaise sélection de l'intervalle BET : une pression relative trop faible ou trop élevée peut entraîner un écart d'ajustement.
Dégazage excessif ou insuffisant :
Excessif → effondrement de la structure matérielle
Insuffisant → Impuretés résiduelles en surface, capacité d'adsorption faussement élevée
Activité excessive de l'échantillon : certains catalyseurs peuvent interagir avec l'azote pendant le processus de test, ce qui nécessite une attention particulière.
Difficulté à comparer les résultats : différents laboratoires peuvent utiliser différentes conditions de prétraitement. Ainsi, lors de la publication des données, la température, la durée et le type de gaz adsorbé doivent être indiqués.
7、 Domaines d'application des tests BET
Développement de catalyseurs
Plus la surface spécifique est grande, plus il y a de sites actifs et l'activité catalytique est généralement plus élevée.
matériaux énergétiques
Les performances de stockage d'énergie des matériaux d'électrode pour batteries et condensateurs au lithium sont étroitement liées à leur surface spécifique et à leur structure de pores.
Adsorbants et matériaux de séparation
Les performances d'adsorption du charbon actif, de la zéolite, des MOF, etc. dépendent directement de la surface spécifique.
gouvernance environnementale
Des matériaux à surface spécifique élevée sont nécessaires pour l’adsorption et l’élimination des polluants tels que les COV et les ions de métaux lourds.
Les tests de surface spécifique BET, en tant que méthode de caractérisation classique et pratique, sont appliqués dans le domaine de la science des matériaux depuis plus de 80 ans. Grâce à une préparation raisonnable des échantillons, à une sélection d’intervalles et à un traitement des données, les chercheurs peuvent obtenir des informations précises sur la surface et la structure des pores, fournissant ainsi un support de données solide pour la conception des matériaux et l’optimisation des performances.
SAT NANO est le meilleur fournisseur dematériau nano et microen Chine, nous pouvons fournir de la poudre de métal, de la poudre de carbure, de la poudre d'oxyde, etc. Nous fournissons non seulement des produits, mais également différents services de test comme le SEM, le test BET. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à nous contacter à sales03@satnano.com
