BET容量法测定固体比表面积

柳 翱， 巴晓微， 刘 颖， 赵振波

（长春工业大学化学与生命科学学院，吉林长春 130012）

0 引 言

固体物质的比表面积大小是评选催化剂、了解固体表面性质和研究电极性质的重要参数。测定固体比表面积［1］的方法很多，但使用最普遍的是BET法［2－4］，BET法可分为静态法和动态法。前者有容量法、重量法等；后者有常压流动法、色谱法等。本实验采用容量法，利用FINESORB－3020比表面及孔隙度分析仪测定样品的比表面积和等温吸附－脱附线。研究样品量、样品的预处理、载气流速、平衡时间等对测定固体比表面积的影响。

1 实验原理和方法

1.1 比表面积测定原理

1938年，勃鲁瑙尔（Brunauer）、爱默特（Em－mett）和泰勒（Teller）（简称BET）在朗谬尔（Langmuir）吸附理论的基础上建立了BET多分子层吸附理论［5］，据此假设，推导得BET方程如下：

式中：p——吸附质的吸附平衡压力；

p＊——吸附质在吸附温度时的饱和蒸汽压；

Va——平衡压力为p时吸附质的吸附量；

——吸附剂表面铺满单分子层时的吸附量（或单层饱和吸附量）；

c——与温度、吸附热和液化热有关的常数。

通过实验可以测量一系列的p和Va，以对作图，可得一直线，由直线的斜率和截距数据可算出。若已知一个被吸附分子的截面积，则可以由计算出固体吸附剂的比表面积as：式中：S——一个吸附质分子的截面积；

m——固体吸附剂的质量；

L——阿伏伽德罗常数；

22 400——标准状况下1mol气体的体积，mL。

1.2 等温吸附－脱附线的测定

等温吸附－脱附线［6］的测定是在一定的温度下对于给定的吸附剂和吸附质，测定吸（脱）附量与一系列相对压力之间的变化关系。等温吸附－脱附线的测定方法是静态容量法［7－8］。静态容量法测试通常在液氮温度下进行。在样品管中放置准确称量的经预处理的吸附剂样品，先经抽真空脱气，再使整个系统达到所需的真空度，然后将样品管浸入液氮浴中，并充入已知量气体，吸附剂吸附气体会引起压力下降，待达到吸附平衡后测定气体的平衡压力，并根据吸附前后体系压力变化计算吸附量。逐次向系统增加吸附质气体量改变压力，重复上述操作，测定不同相对压力下的吸（脱）附量，获得等温吸附－脱附线。获得等温吸附－脱附线后，方能根据合适的理论方法计算出比表面积和孔径分布等。

2 实验部分

2.1 样品预处理

在测定之前，需将样品表面上原已吸附的气体或蒸汽分子除去。具体做法如下：取一个干净的样品管在电子天平称其质量，加入140mg左右的样品，再称质量。将样品管接到FINESORB－3020型比表面及孔隙度分析仪脱气站，打开真空泵，打开FINESORB－3020软件，对脱气站界面设置脱气时间和脱气温度，进行脱气。脱气结束后，让样品管冷却至室温，取下样品管，称出空管加样品的质量。

2.2 样品测试

经预处理的样品管接到仪器分析站，打开FINESORB－3020软件，对分析站进行设置，点击分析站开始，抽真空和系统检漏，关闭软件。重新打开软件，对分析站进行设置，然后进入到测试进行界面，点击分析站开始，开氮气（分压阀开到0．1MPa）。将装有液氮的杜瓦瓶慢慢放入冷阱电梯与分析站电梯托盘，检查杜瓦瓶口与样品管是否对正。系统达到所需真空度后手动上升冷阱电梯，系统自动控制的分析站电梯上升。前期处理结束后，系统自动进行测定样品的比表面积，测等温吸附－脱附线。

3 结果与讨论

3.1 等温吸附－脱附线和BET图

在优化的实验条件下利用FINESORB－3020比表面及孔隙度分析仪测定白炭黑的等温吸附－脱附等温线和BET图。所得结果如图1和图2所示。

图1 N2在白炭黑上的吸附－脱附等温线

图2 白炭黑的BET图

3.2 实验条件对吸附量测试的影响

3．2．1 系统检漏

系统的任何一处都有可能发生由于老化及其它原因而引起的漏气。漏气会影响到等温线的数据，并在等温线图上有所反映。所以要对系统检漏。

3．2．2 样品量

氮气吸附时所测样品应能提供40～120m2的总表面积，小于这个范围，测试结果相对误差较大；大于这个范围，会增加不必要的测试时间。建议样品量不低于100mg。

3．2．3 样品预处理

样品在吸附测定前都必须通过加热抽空处理，将其中吸附的水和其它污染物气体脱附掉。否则样品在分析过程中会继续脱气，抵消或增加样品所吸附气体的真实量，产生错误数据。脱气时，应根据污染分子的吸附特性选择合适的处理条件，注意不要引起样品性质和结构的改变。

3．2．4 载气流速

载气分压≤0．1MPa，若偏大，仪器电磁阀被冲开，测试结果偏差较大。

3．2．5 平衡时间

若平衡时间不够，则所测得的样品吸附量或脱附量小于达到平衡状态的量，而且前一点的不完全平衡还会影响到后面点的测定，所以要确保平衡时间。

4 结 语

BET容量法测定固体的比表面积是一种很好的方法。通过优化一系列实验条件：系统的检漏、样品量、样品的预处理、控制载气流速，保证平衡时间可以提高实验结果的精准度。

［1］ Stoeckli F，Centeno T A．On the determination of surface areas in activated carbons［J］．Carbon，2005，43：1184－1190．

［2］ Toth J．Calculation of the BET－compatible surface area from any typeⅠisotherms measured above the critical temperature［J］．Journal of Colloid and Interface Science，2000，225：378－383．

［3］ Van Erp T S，Martens J A．A standardization for BET fitting of adsorption isotherms［J］．Microporous and Mesoporous Materials，2011，145：188－193．

［4］ 徐家宁，朱万春，张亿华，等．基础化学实验（下册）物理化学和仪器分析实验［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［5］ 庄继华．物理化学实验［M］．3版．北京：高等教育出版社，2004．

［6］ 贺德华，麻英，张连庆．基础物理化学实验［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［7］ 王尊本．综合化学实验［M］．2版．北京：科学出版社，2007．

［8］ 辛勤，罗孟飞．现代催化研究方法［M］．北京：科学出版社，2009．

［9］ 甄开吉．催化作用基础［M］．3版．北京：科学出版社，2005．