比表面測試

比表面測試主要即指測試固體比表面積的方法和過程，固體尤其是多孔固體的比表面測試，無論在科研還是工業生產中都具有十分重要的意義。

基本介紹

• 中文名：比表面測試
• 簡述：衡量物質特性的重要參量
• 用途：用來檢測顆粒物質比表面積
• 採用：多點BET法

概述

固體有一定的幾何外形，借通常的儀器和計算可求得其表面積。但粉末或多孔性物質表面積的測定較困難，它們不僅具有不規則的外表面，還有複雜的內表面。通常稱1g固體所占有的總表面積為該物質的比表面積(specific surface area,單位為㎡/g)。比表面測試主要即指測試固體比表面積的方法和過程，固體尤其是多孔固體的比表面測試，無論在科研還是工業生產中都具有十分重要的意義。

比表面積是衡量物質特性的重要參量，其大小與顆粒的粒徑、形狀、表面缺陷及孔結構密切相關；同時，比表面積大小對物質其它的許多物理及化學性能會產生很大影響，特別是隨著顆粒粒徑的變小，比表面積成為了衡量物質性能的一項非常重要參量，如目前廣泛套用的納米材料。

測試方法

測試方法分類

比表面積測試方法有兩種分類標準。一是根據測定樣品吸附氣體量多少方法的不同，可分為：連續流動法、容量法及重量法（重量法現在基本上很少採用）；另一種是根據計算比表面積理論方法不同可分為：直接對比法比表面積分析測定、Langmuir法比表面積分析測定和BET法比表面積分析測定等。同時這兩種分類標準又有著一定的聯繫，直接對比法只能採用連續流動法來測定吸附氣體量的多少，而BET法既可以採用連續流動法，也可以採用容量法來測定吸附氣體量。

連續流動法

連續流動法是相對於靜態法而言，整個測試過程是在常壓下進行，吸附劑是在處於連續流動的狀態下被吸附。連續流動法是在氣相色譜原理的基礎上發展而來，由熱導檢測器來測定樣品吸附氣體量的多少。連續動態氮吸附是以氮氣為吸附氣，以氦氣或氫氣為載氣,兩種氣體按一定比例混合，使氮氣達到指定的相對壓力，流經樣品顆粒表面。當樣品管置於液氮環境下時，粉體材料對混合氣中的氮氣發生物理吸附，而載氣不會被吸附，造成混合氣體成分比例變化，從而導致熱導係數變化，這時就能從熱導檢測器中檢測到信號電壓，即出現吸附峰。吸附飽和後讓樣品重新回到室溫，被吸附的氮氣就會脫附出來，形成與吸附峰相反的脫附峰。吸附峰或脫附峰的面積大小正比於樣品表面吸附的氮氣量的多少，可通過定量氣體來標定峰面積所代表的氮氣量。通過測定一系列氮氣分壓P/P0下樣品吸附氮氣量，可繪製出氮等溫吸附或脫附曲線，進而求出比表面積。通常利用脫附峰來計算比表面積。

特點：連續流動法測試過程操作簡單，消除系統誤差能力強，同時具有可採用直接對比法和BET方法進行比表面積理論計算。

容量法

容量法中，測定樣品吸附氣體量多少是利用氣態方程來計算。在預抽真空的密閉系統中導入一定量的吸附氣體，通過測定出樣品吸脫附導致的密閉系統中氣體壓力變化，利用氣態方程P*V/T=nR換算出被吸附氣體摩爾數變化。

直接對比法

直接對比法比表面積分析測試是利用連續流動法來測定吸附氣體量，測定過程中需要選用標準樣品（經嚴格標定比表面積的穩定物質）。並聯到與被測樣品完全相同的測試氣路中，通過與被測樣品同時進行吸附，分別進行脫附，測定出各自的脫附峰。在相同的吸附和脫附條件下，被測樣品和標準樣品的比表面積正比於其峰面積大小。

計算公式如下：

Sx：被測樣品比表面積 S0：標準樣品比表面積，

Ax：被測樣品脫附峰面積 A0：標準樣品脫附峰面積

Wx：被測樣品質量 W0：標準樣品質量

優點：無需實際標定吸附氮氣量體積和進行複雜的理論計算即可求得比表面積；測試操作簡單，測試速度快，效率高

缺點：當標樣和被測樣品的表面吸附特性相差很大時，如吸附層數不同，測試結果誤差會較大。

直接對比法僅適用於與標準樣品吸附特性相接近的樣品測量，由於BET法具有更可靠的理論依據，目前國內外更普遍認可BET法比表面積測定。

BET比表面積測定法

BET理論計算是建立在Brunauer、Emmett和Teller三人從經典統計理論推導出的多分子層吸附公式基礎上，即著名的BET方程：

P: 吸附質分壓 P0: 吸附劑飽和蒸汽壓

V: 樣品實際吸附量 Vm: 單層飽和吸附量

C：與樣品吸附能力相關的常數

實際測試過程中，通常實測3-5組被測樣品在不同氣體分壓下多層吸附量V，以P/P0為X軸， 為Y軸，由BET方程做圖進行線性擬合，得到直線的斜率和截距，從而求得Vm值計算出被測樣品比表面積。理論和實踐表明，當P/P0取點在0.05-0.35範圍內時，BET方程與實際吸附過程相吻合，圖形線性也很好，因此實際測試過程中選點需在此範圍內。由於選取了3-5組P/P0進行測定，通常我們稱之為多點BET。當被測樣品的吸附能力很強，即C值很大時，直線的截距接近於零，可近似認為直線通過原點，此時可只測定一組P/P0數據與原點相連求出比表面積，我們稱之為單點BET。與多點BET相比，單點BET結果誤差會大一些。

若採用流動法來進行BET測定，測量系統需具備能精確調節氣體分壓P/P0的裝置，以實現不同P/P0下吸附量測定。對於每一點P/P0下BET吸脫附過程與直接對比法相近似，不同的是BET法需標定樣品實際吸附氣體量的體積大小，而直接對比法則不需要。

BET方程是建立在多層吸附的理論基礎之上，與許多物質的實際吸附過程更接近，因此測試結果可靠性更高。但是，BET方程有其適用範圍，當氮氣達到飽和單層飽和吸附時相對壓力小於0.05或大於0.35時，不符合BET多分子吸附模型，所得測試結果會產生偏離。

特點：BET理論與物質實際吸附過程更接近，可測定樣品範圍廣，測試結果準確性和可信度高。

目前國內外比表面積測試統一採用多點BET法，國內外製定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的。

測試儀器

比表面積可採用物理吸附儀或比表面積分析儀通過低溫N2吸附方法進行測試。

相關標準

ISO 9277-2010 用氣體吸附測定固態物質比表面積 BET法

GB/T 19587-2004 氣體吸附BET法測定固態物質比表面積