美國micromeritics / 2022年六月份電子報-以TriStar 對碳材進行二氧化碳吸附的微孔分析

目的

使用二氧化碳可對微孔材料進行快速、高解析度的孔徑分析。 Micromeritics TriStar II 3020 可用於在 8 小時內分析小於 10 Å的微孔，使用 CO₂ 作為吸附氣體，溫度為 273K (使用冰浴)。將 CO₂吸附的等溫線與 77.3 K 的 N₂吸附等溫線進行了比較。將氮和二氧化碳在狹縫孔碳上的密度泛函理論 (DFT) 模型用於孔徑分佈計算。

在低溫吸附小孔材料的過程中，可能會觀察到緩慢的擴散（平衡）速率（大約數小時到數天）。 受限孔隙中的強吸附勢導致吸附劑（例如氮）的高吸收，這對應於在非常低的壓力下填充微孔，這可能會挑戰 -1 torr壓力傳感器的靈敏度下限。由於溫度升高和氣體在更高壓力下的吸收，二氧化碳分析經由更快的平衡速率解決了這兩個問題。

實驗

使用了兩個商業的碳材產品，來自 Supelco 的 Carboxen® 1012 和一個 MAST 合成碳樣品。 Micromeritics TriStar 是用於可高達 760 torr（相對壓力為 0.03）的CO₂ 分析儀器。 Micromeritics ASAP 2050 高壓吸附分析儀用於測量高達 7600 torr的 CO₂ 等溫線，Micromeritics ASAP 2020 用於使用在 77 K 的氮等溫線的 DFT 計算來驗證微孔孔徑。分析過程中使用了超高純度氦氣。

數據與討論

圖 1 顯示了 Carboxen 1012 和 MAST 合成碳的氮和二氧化碳等溫線。 Carboxen 1012 對氮的吸附表現出I類等溫線行為，而 MAST 碳表現出IV類等溫線行為。Carboxen 1012 增加氣體吸收的趨勢也可以經由二氧化碳吸附觀察到。為清楚起見，沒有顯示 MAST 碳材的中孔和 Carboxen 1012 碳的 10 到 20 Å之間的較大微孔。

圖 1. 本研究分析的 Carboxen 1012 和 MAST 合成碳的 N₂ 和 CO₂ 吸附等溫線。

微孔分佈的解析度如圖 2 所示。與氮物理吸附相比，經由二氧化碳吸附的 DFT 計算可以更詳細地捕獲孔徑分佈的特徵，並觀察到低於7 Å的孔隙填充。圖3 顯示了高達 760 torr的二氧化碳與高達 7600 torr的測量值相比的等溫線——證明了高壓和“低壓”吸附的一致性。

圖 2. 在 MAST 碳（左）和 Carboxen 1012（右）上通過 77 K 的 N₂ 吸附和 273 K 的 CO₂ 吸附計算的孔徑分佈。

表 1. CO₂ 和 N₂ 物理吸附的比表面積

表 1 顯示了二氧化碳吸附計算的表面積與氮吸附計算的比較 BET 表面積計算在低於 0.1 的相對壓力下進行，以使結果具有物理意義，這是微孔材料的常用程序。 在 600-3000 torr的絕對壓力範圍內計算來自 CO₂ 吸附的Langmuir表面積。 來自 N₂ 吸附的Langmuir表面積（未顯示），使用高達 50 torr絕對壓力的壓力計算，與氮氣 BET 表面積一致、皆在 6% 以內。

圖 3. Carboxen 1012 在 273 K、760 和 7600 torr的 CO₂ 吸附等溫線。

討論

從得到的數據可以得出結論，TriStar 以及其他 Micromeritics 物理吸附儀器可用於獲得快速、高解析度碳材中微孔的分析。273 K 的二氧化碳物理吸附技術可以擴展到高壓，進而可以計算 Langmuir 和 BET 表面積。對於本工作中分析的兩種材料，從 273 K 的 CO₂ 吸附計算的 Langmuir 表面積與從 77.3 K 的 N₂ 吸附計算的 BET 表面積相當。

資料來源：micromeritic官網

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