應(yīng)用案例 | 氣體吸附技術(shù)在多孔吸附劑表征中的應(yīng)用

多孔吸附劑由于其獨特的多孔結(jié)構(gòu)和性能，在環(huán)境凈化、能源存儲和催化轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域扮演著重要角色。多孔吸附劑通常具有較高的比表面積和豐富的孔徑分布，可以有效地與氣體或液體中的分子發(fā)生相互作用。采用靜態(tài)氣體吸附法精準(zhǔn)表征多孔吸附劑的比表面積和孔徑分布等參數(shù)有助于深入了解多孔吸附劑的性質(zhì)和吸附性能。

多孔吸附劑是一類具有高比表面積和豐富孔隙結(jié)構(gòu)的材料，能夠通過物理或化學(xué)吸附捕獲并固定氣體或液體中的分子，其種類繁多，包括無機多孔吸附劑（活性炭、硅膠等）、有機高分子吸附劑（離子交換樹脂等）、配位聚合物（MOFs等）以及復(fù)合多孔吸附劑等。

示意圖。來源：攝圖網(wǎng)

深入理解多孔吸附劑的物理特性對于優(yōu)化性能和拓展應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要。比表面及孔徑分析儀在多孔吸附劑行業(yè)的應(yīng)用方向主要包括質(zhì)量控制、研發(fā)新材料、優(yōu)化分離工藝等。通過精確測試比表面積和孔徑分布，可以有針對性地改進(jìn)多孔吸附劑的性能以滿足特定的應(yīng)用需求，提高對目標(biāo)分子的選擇性吸附^[1]。

綜上所述，通過氣體吸附表征分析多孔吸附劑的比表面積及孔徑分布，有利于評價多孔吸附劑的吸附能力、吸附選擇性以及效率，對推動新型高效吸附劑的開發(fā)具有重要意義。

金屬有機框架材料（MOFs）因其高孔隙率、大比表面積、可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)和易于功能化等特點，成為了備受關(guān)注的新型吸附材料。通過官能團(tuán)修飾和孔徑尺寸調(diào)節(jié)的協(xié)同調(diào)控作用，可以一定程度提升MOFs材料對CO₂的捕獲和分離性能^[2]。

UiO-66是一種應(yīng)用較多的MOFs吸附劑，常用于氣體吸附、催化反應(yīng)和分子分離等領(lǐng)域。以下是采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對UiO-66材料的表征案例。如圖1左所示，該UiO-66的比表面積為1253.41 m²/g，高比表面積可以提供更多的活性點位，有利于提高其吸附性能。從N₂-吸脫附等溫線（圖1中）可知，在低分壓區(qū)（P/P₀＜0.1）吸附量存在急劇上升的趨勢，說明材料中存在一定量的微孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到一定相對壓力后吸附出現(xiàn)平臺，隨著壓力增大吸附等溫線繼續(xù)上升直至吸附飽和。通過SF-孔徑分布圖（圖1右）可得出該樣品的最可幾孔徑為0.56 nm。通過設(shè)計和調(diào)控MOFs材料的比表面積和孔道結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高吸附的選擇性和分離效果。

除了表面結(jié)構(gòu)表征（BET表面積、孔徑分布、孔體積等）之外，氣體吸附技術(shù)還可用于評估多孔吸附劑在施加壓力和應(yīng)用溫度條件下對各種氣體的存儲容量，如CO₂、CH₄和H₂等。

采用國儀量子自研的H-Sorb 2600高溫高壓氣體吸附儀可實現(xiàn)材料在不同溫度和不同壓力環(huán)境下對H₂、CO₂、N₂、O₂、CH₄等多種氣體的吸附能力以及分離能力檢測，可有效表征材料吸脫附特性、吸脫附量以及吸脫附選擇性等關(guān)鍵吸脫附氣體性能。如圖2所示，為了研究不同材料對CO₂氣體吸附性能，在25℃條件下，測試兩種MOFs材料對高壓CO₂的吸附情況，在20 bar下兩種材料對CO₂的吸附量分別為40.66 cm³/g和84.71 cm³/g，在兩個CO₂等溫線中都觀察到脫附滯后現(xiàn)象，歸因于MOF材料的結(jié)構(gòu)變化^[3]。

碳納米材料指分散相尺度至少有一維小于100 nm的碳材料，通常具有高比表面積、獨特的孔分布、高導(dǎo)電性和可調(diào)的電子結(jié)構(gòu)，在儲能、轉(zhuǎn)化、催化和傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景^[4]。常見的碳納米材料有碳?xì)饽z、石墨烯和碳納米管等。

碳納米材料的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，特別是孔結(jié)構(gòu)、比表面積等基礎(chǔ)參量在很大程度上決定其性質(zhì)、功能及用途。采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對碳?xì)饽z材料的比表面及孔徑分布進(jìn)行表征。如圖3左所示，通過多點BET方程計算出比表面積為1637.82 m²/g。再進(jìn)一步分析其N₂吸附-脫附等溫線（圖3右）可知，為典型的Ⅰ型等溫線，在低分壓區(qū)（P/P₀＜0.1）吸附量迅速增加，說明該碳?xì)饽z中具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)。從圖4左的HK孔徑分布圖可知該樣品存在分段納米孔結(jié)構(gòu)，在0.88nm、1.31nm和1.56nm處有集中孔分布，可通過孔徑分析初步評價碳納米材料的孔徑調(diào)控方法及性能。通過t-Plot分析圖（圖4右）可得出該樣品的微孔體積為0.63 ml/g，微孔面積為1627.51 m²/g，占總面積99.37%。深入研究碳?xì)饽z的比表面積及影響因素可以為其應(yīng)用和性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

活性炭是一種多孔碳質(zhì)吸附劑，廣泛應(yīng)用于氣相或液相污染物的吸附、氣體儲存和催化劑載體等領(lǐng)域。它的吸附性能主要受其物理參數(shù)如比表面積、孔容積和孔徑分布的影響。

以下是采用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對不同類型活性炭材料的表征案例。圖5中兩種活性炭樣品在300℃真空條件下加熱2小時進(jìn)行脫氣處理后，測得木質(zhì)活性炭和椰殼活性炭的比表面積分別為951.81m²/g和1393.75m²/g，較大的比表面積意味著更多的活性位點可用于吸附氣體或液體分子。通過分析等溫線（圖6）可知，木質(zhì)活性炭為I類和Ⅳ類復(fù)合等溫線，椰殼活性炭主要屬于Ⅰ類等溫線，椰殼活性炭在低分壓區(qū)有更高的吸附量。進(jìn)一步采用NLDFT全孔徑分析（圖7）可知，木質(zhì)活性炭的總孔體積為0.55ml/g，微孔體積占比62.90%，椰殼活性炭的總孔體積為0.62ml/g，微孔體積占比89.13%，椰殼活性炭具有更高的微孔體積及占比，與等溫線分析結(jié)果一致。此外，孔徑的大小直接影響到活性炭能夠吸附的分子類型和大小，而孔徑分布的均勻性則影響吸附過程的效率和選擇性。通過精確調(diào)整制備條件來控制活性炭的比表面積和孔徑分布等參數(shù)，可以設(shè)計出適合特定需求的高效吸附劑。

[1]吳凡,張明美,趙磊,等. 用于VOCs吸附的多孔材料的研究進(jìn)展[J]. 化工環(huán)保, 2023, 43 (06): 757-766.

[2]趙杰,劉森,殷齊康,等. 三角形MOF孔道中CO₂捕獲分離：孔徑尺寸和官能團(tuán)數(shù)量的影響 [J]. 化工新型材料, 2024, 52 (S1): 223-228+235.

[3]A.Cychosz K, Thommes M. 納米多孔儲氣材料的物理吸附特性研究進(jìn)展[J].  Engineering, 2018, 4(04): 279-295. 

[4]王瑩,張力嬙,張宇航. 碳基納米材料及其在吸附大分子有機物中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]. 化工新型材料, 2018, 46 (08): 51-54.