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應用案例 | 氣體吸附技術(shù)在多孔吸附劑表征中的應用

更新時(shí)間:2024-06-28      點(diǎn)擊次數:365

應用案例 | 氣體吸附技術(shù)在多孔吸附劑表征中的應用

多孔吸附劑由于其獨特的多孔結構和性能,在環(huán)境凈化、能源存儲和催化轉化等領(lǐng)域扮演著(zhù)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)氣體吸附法精準表征多孔吸附劑的比表面積和孔徑分布等參數有助于深入了解多孔吸附劑的性質(zhì)和吸附性能。

 

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多孔吸附劑是一類(lèi)具有高比表面積和豐富孔隙結構的材料,能夠通過(guò)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(lèi)繁多,包括無(wú)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(shù)脂等)、配位聚合物(MOFs等)以及復合多孔吸附劑等。

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示意圖。來(lái)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(guò)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(mǎn)足特定的應用需求,提高對目標分子的選擇性吸附[1]。

綜上所述,通過(guò)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(jià)多孔吸附劑的吸附能力、吸附選擇性以及效率,對推動(dòng)新型高效吸附劑的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

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

UiO-66是一種應用較多的MOFs吸附劑,常用于氣體吸附、催化反應和分子分離等領(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(diǎn)位,有利于提高其吸附性能。從N2-吸脫附等溫線(xiàn)(圖1中)可知,在低分壓區(P/P0<0.1)吸附量存在急劇上升的趨勢,說(shuō)明材料中存在一定量的微孔結構,達到一定相對壓力后吸附出現平臺,隨著(zhù)壓力增大吸附等溫線(xiàn)繼續上升直至吸附飽和。通過(guò)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(guò)設計和調控MOFs材料的比表面積和孔道結構,可進(jìn)一步提高吸附的選擇性和分離效果。

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除了表面結構表征(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(shí)現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(gè)CO2等溫線(xiàn)中都觀(guān)察到脫附滯后現象,歸因于MOF材料的結構變化[3]。

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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、高導電性和可調的電子結構,在儲能、轉化、催化和傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[4]。常見(jiàn)的碳納米材料有碳氣凝膠、石墨烯和碳納米管等。

碳納米材料的形態(tài)與結構,特別是孔結構、比表面積等基礎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氣凝膠材料的比表面及孔徑分布進(jìn)行表征。如圖3左所示,通過(guò)多點(diǎn)BET方程計算出比表面積為1637.82 m2/g。再進(jìn)一步分析其N(xiāo)2吸附-脫附等溫線(xiàn)(圖3右)可知,為典型的Ⅰ型等溫線(xiàn),在低分壓區(P/P0<0.1)吸附量迅速增加,說(shuō)明該碳氣凝膠中具有豐富的微孔結構。從圖4左的HK孔徑分布圖可知該樣品存在分段納米孔結構,在0.88nm、1.31nm和1.56nm處有集中孔分布,可通過(guò)孔徑分析初步評價(jià)碳納米材料的孔徑調控方法及性能。通過(guò)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%。深入研究碳氣凝膠的比表面積及影響因素可以為其應用和性能優(yōu)化提供參考依據。

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活性炭是一種多孔碳質(zhì)吸附劑,廣泛應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(lèi)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(shí)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(zhù)更多的活性位點(diǎn)可用于吸附氣體或液體分子。通過(guò)分析等溫線(xiàn)(圖6)可知,木質(zhì)活性炭為I類(lèi)和Ⅳ類(lèi)復合等溫線(xiàn),椰殼活性炭主要屬于Ⅰ類(lèi)等溫線(xiàn),椰殼活性炭在低分壓區有更高的吸附量。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(xiàn)分析結果一致。此外,孔徑的大小直接影響到活性炭能夠吸附的分子類(lèi)型和大小,而孔徑分布的均勻性則影響吸附過(guò)程的效率和選擇性。通過(guò)精確調整制備條件來(lái)控制活性炭的比表面積和孔徑分布等參數,可以設計出適合特定需求的高效吸附劑。

應用案例 | 氣體吸附技術(shù)在多孔吸附劑表征中的應用

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[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:孔徑尺寸和官能團數量的影響 [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用研究進(jìn)展 [J]. 化工新型材料, 2018, 46 (08): 51-54.