Глава 2. Определение удельной поверхности наноматериалов

Адсорбционным методом Ленгмюра

Учебные цели. В результате изучения материала занятия обучаемые должны:

Иметь представление

об основных терминах и определениях, принятых при описании сорбционных явлений;

Знать

основные положения теории адсорбции;

уметь:

применять процедуру расчета основных параметров изотермы адсорбции Ленгмюра и определения удельной поверхности наноматериалов;

иметь навык:

в проведении инженерных расчетов и анализе полученных результатов.

Основные положения теории адсорбции

Введение.

Основной характеристикой наноматериалов, в том числе полимерных композиционных наноразмерных материалов, определяющей отнесение их к данной группе веществ, является степень их дисперсности, то есть характерный размер структур, образующих данный материал. Поэтому экспериментальные методы измерения степени дисперсности наноматериалов, оценки размеров отдельных частиц занимают центральное место при характеристике любого наноматериала. В ряду этих методов важную роль играет измерение удельной поверхности наноматериала – величины межфазной поверхности всех образующих наноматериал структурных элементов в единице массы образца. Чем выше степень дисперсности наноматериала, тем больше величина его удельной поверхности. При разработке технологии наноматериалов часто именно их поверхность является целевой характеристикой, определяющей преимущества их использования. Одним из экспериментальных подходов к измерению удельной поверхности твердых дисперсных материалов является сорбционный метод.

Метод сорбции и капиллярной конденсации газов позволяет определять важнейшие характеристики твердофазных веществ, такие как удельная площадь поверхности, пористость (микро-, мезопористость), объем пор, распределение пор по размерам. Данные характеристики особо важны при исследовании веществ, обладающих каталитическими, фотокаталитическими, мембранными и адсорбционными свойствами.

Данные, получаемые при измерение сорбции газов, могут быть использованы при работе с наноструктурированными материалами. Метод сорбции и капиллярной конденсации удачно дополняет другие методы анализа материалов такие как дифракционные методы анализа и микроскопия и др., давая более полную информацию об образце.

Площадь поверхности может быть вычислена при помощи ряда классических моделей (BET, метод Ленгмюра и др.) при обработке данных адсорбции газа образцом. В данной работе будет рассмотрен метод Ленгмюра.

2.1.2. Основные определения.

Адсорбция - обогащение (т. е. положительная адсорбция, или просто адсорбция) или обеднение (т.е. отрицательная адсорбция) одного или более компонентов в межфазном слое. Таким образом, адсорбция представляет собой концентрирование вещества на поверхности раздела фаз (твердая - жидкая, твердая - газообразная, жидкая - газообразная).

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы вещество называется адсорбатом.

Обратный процесс перехода вещества с поверхности в объем фазы - десорбция. На рис.2.1 приведены производные термины, принятые при описании сорбционных явлений.

Сорбция - адсорбция на поверхности, абсорбция путем проникновения молекул в решетку твердого тела и капиллярная конденсация в порах. Слово адсорбция обозначает поглощение у поверхности тела в отличие от абсорбции - поглощения в объеме тела, например растворения газа в объеме жидкости.

Адсорбат (сорбат ) – газообразное или жидкое вещество, которое сорбируется на границе адсорбента.

Сорбент – вещество-поглотитель.

Если хотят при этом указать характер поглощения, то употребляют термины " адсорбент" или " абсорбент". Поглощаемое вещество, находящееся в газовой среде, называют сорбтивом (соответственно, адсорбтивом или абсорбтивом), в адсорбционной фазе — сорбатом (соответственно, адсорбатом или абсорбатом).

Рис. 2.1. Термины, принятые при описании сорбционных явлений

Физическая адсорбция – адсорбция за счет короткодействующих неспецифических ван-дер-ваальсовых сил.

Химическая адсорбция (хемосорбция) – сорбция за счет специфических химических взаимодействий с образованием устойчивых поверхностных соединений.

Изотерма адсорбции (сорбции) – зависимость сорбированного количества от давления газа (пара) при постоянной температуре. Форма изотермы сорбции характеризует морфологию и физико-химические свойства поверхности сорбента и характер его взаимодействия с сорбатом.

Единицы количества адсорбированного вещества – моль/г адсорбента. При сорбции газов часто количество адсорбированного вещества выражают в см³ газа при нормальных условиях/1 г адсорбента.

Мера дисперсности. Мерой раздробленности всякой дисперсной системы может служить либо поперечный размер частиц “а” (для сферических частиц - диаметр “d”, а для частиц, имеющих форму куба - ребро куба “l”), либо обратная ему величина Д=1/а, называемая обычно дисперсностью, либо удельная поверхность S_уд, т.е. межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы. Все эти величины взаимосвязаны. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность или удельная поверхность, и наоборот. К коллоидным системам относятся системы, у которых значение “а” лежит в пределах 1…100 нм (10^-7 … 10^{-5 см), а дисперсность - в пределах 1…100 нм-1} (10⁷…10⁵ см^-1). Верхний предел дисперсности коллоидных систем обусловлен тем, что при дальнейшем дроблении вещества в растворе уже будут находиться не агрегаты молекул, а отдельные молекулы, имеющие размер порядка 0, 1 нм.

Явление сорбции.

Твердые тела могут поглощать относительно большие объемы конденсирующихся газов. Величина поглощенного объема зависит от типа материала твердого тела и природы газа. Существенную роль в адсорбционных явлениях, происходящих на твердых телах, играют два фактора: площадь поверхности твердого тела и его пористость (объем пор). Таким образом, измеряя адсорбцию газов и паров, можно получать информацию об удельной поверхности и пористой структуре твердых тел.

Термин адсорбция первоначально означал конденсацию газов на открытых поверхностях (в отличие от абсорбции, в результате которой молекулы газа проникают в массу абсорбирующего твердого тела). Адсорбция в настоящее время принята как международный термин, означающий обогащение (т.е. адсорбцию) или обеднение (т.е. десорбцию) одного или более компонентов в межфазном слое. Общий термин сорбция означает адсорбцию на поверхности, абсорбцию путем проникновения молекул в решетку твердого тела и капиллярную конденсацию в порах (рис. 2.2). Однако этот термин не получил широкого распространения, тогда как термином «адсорбция» часто называют поглощение, происходящее как по механизму капиллярной конденсации, так и собственно поверхностной адсорбции.

а) б)

в) г)

Рис. 2.2. Схематичное изображение процесса сорбции газа:

а) сильно увеличенная частица твердого вещества; б) образование монослоя адсорбированных молекул (насыщение ~ 20%); в) капиллярная конденсация, образование мультислоев (насыщение ~ 70%); г) полное заполнение всего объема пор (насыщение ~ 100 %)

На практике методы адсорбции обычно используются для определения удельной поверхности и пористой структуры лишь высокодисперсных твердых тел или систем с развитой пористостью. Обычно частицы высокодисперсного порошка – первичные частицы – под действием поверхностных сил слипаются в более или менее плотные вторичные частицы. Если контакты между соседними частицами слабые, эти ансамбли, называемые в этом случае агрегатами, могут снова разрушаться. При повышенных температурах или при прессовании под давлением первичные частицы соединяются в более прочные вторичные частицы – так называемые агломераты.

Приступая к обсуждению поверхностных свойств твердых тел с большой удельной поверхностью, полезно провести различие между внешней и внутренней поверхностями. Различие между двумя типами поверхности в известной степени произвольно, однако, считают, что выступы и трещины, высота или глубина которых меньше, чем ширина, образуют внешнюю поверхность, а трещины, поры и полости, глубина которых больше, чем их ширина, образуют внутреннюю поверхность. Несмотря на такую неопределенность проводить различие между внешней и внутренней поверхностями практически полезно; у большинства пористых тел внутренняя поверхность на несколько порядков больше, чем внешняя, и общая поверхность твердых тел является преимущественно внутренней.

В благоприятных случаях осажденный образец может иметь такую открытую структуру, что его адсорбционные и иные свойства окажутся такими же, как у непористого материала. Твердые тела такого типа используются при получении стандартных изотерм адсорбции, которые имеют фундаментальное значение при определении удельной поверхности и пористой структуры адсорбционными методами.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒