273K（0°C）條件下利用CO₂吸附進行多孔碳材料的微孔分析

       科學之美，大可到無垠星空，小可到電子夸克，遠可談光年以外，近可說觸手可及；大可談到哈勃半徑，小能說普朗克長度；從量子物理到柴米油鹽，從深空之下到眼前茍且，科學無處不在。

       溫度驟降，那來了解個名詞-零度；零度是熱力學的Z低溫度，是粒子動能低到量子力學Z低點時物質(zhì)的溫度。零度是僅存于理論的下限值，其熱力學溫標寫成K，等于攝氏溫標零下273.15度（-273.15℃）。本文所介紹的是在273K（0°C）條件下的實驗應用。

       孔徑分布（PSD）是表征多孔材料的關鍵指標?？讖椒植挤治黾瓤蓱糜谔囟üδ芏嗫撞牧系难邪l(fā)，也可以表征現(xiàn)有產(chǎn)品。通常的方法是通過測定77 K下N₂吸附等溫線來表征多孔材料的PSD。今天介紹的方法則是273K（0°C）條件下利用CO₂吸附進行多孔碳材料的微孔分析。

       273 K（0℃）下CO?微孔分析對比77 K下N₂分析具有的主要優(yōu)勢：

       ?更快的分析速度。由于0℃下CO₂具有較高的擴散速率，可以快速達到平衡，因此可以在更短的時間內(nèi)完成等溫線的測量：CO₂分析測試約3小時，而N₂分析測試可能超過30小時

       ?更快微孔擴散速度確保測得的吸附點是平衡的

       ?分析范圍拓展到CO₂分子能進去而N₂分子無法進入的較小尺寸微孔

       ?儀器設備的技術要求簡化：不需配有渦輪分子泵的高真空系統(tǒng)，10^-3torr就可以滿足實驗要求；不需要低壓壓力傳感器，1000 torr傳感器就可以滿足要求

       Nova和Autosorb系列儀器都可以進行CO₂分析測試。安東帕康塔軟件可進行數(shù)據(jù)分析，它的綜合數(shù)據(jù)庫包既包含經(jīng)典算法，又有現(xiàn)代孔徑分析模型。與經(jīng)典的宏觀熱力學方法相比，現(xiàn)代分析方法可在分子水平上描述孔隙流體結(jié)構。這種微觀方法可應用在孔徑分布分析當中。

       認識到CO₂分析測試的優(yōu)勢后，安東帕康塔引入NLDFT/GCMC核文件，可根據(jù)CO₂吸脫附等溫線進行孔徑分布分析計算。為了說明該方法，選取兩種具有代表性的碳材料樣品，將CO₂分析結(jié)果與已有成熟的N₂ DFT分析結(jié)果進行對比。

圖1.ACF-10活性碳纖維孔徑分析分布柱狀圖。實驗時間:二氧化碳3小時，氮氣40小時。

圖2.F400活性炭的孔徑分析分布柱狀圖。實驗時間:二氧化碳3小時，氮氣35小時。

圖3. ACF-10在氮氣77K和二氧化碳273K下測得的吸附等溫線。

       值得注意的是，對于N₂來說，碳材料的微孔吸附開始的相對壓力P/P0遠低于10^-6（<0.001 torr）。在相對壓力P/P0為10^-6時，樣品的吸附量已經(jīng)占總吸附量的20%左右，因此為了得到等溫線的初始部分，實驗需要更低的壓力。另一方面，CO₂的吸附壓力大約開始于相對壓力10^-4，在壓力方面（約1 torr）明顯高于N₂。由此可知，CO₂比N₂更容易獲得吸附等溫線的初始部分。這一對比清晰地表明了對于跟蹤和表征微孔的吸附行為，CO₂比N₂更方便和更有優(yōu)勢。

       顯然，如果還想同時了解樣品介孔的孔徑分布，可將CO₂分析和經(jīng)典的N₂介孔分析相結(jié)合。結(jié)合這兩種方法來表征碳材料的微孔和介孔，可以避免77 K下N₂測試所需的高耗時及為獲得更低壓力帶來的高成本。