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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

發(fā)布:國儀量子技術(shù)(合肥)股份有限公司
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摘要


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。



多孔吸附劑的比表面積和孔徑分布表征



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(jī)多孔吸附劑(活性炭、硅膠等)、有機(jī)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



MOFs材料的氣體吸附性能表征



金屬有機(jī)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]。




碳納米材料的比表面積和孔徑分布表征



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)。



活性炭材料的比表面積和孔徑分布表征



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。




參考文獻(xiàn)



[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(jī)物中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]. 化工新型材料, 2018, 46 (08): 51-54.




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2024-06-26
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