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計(jì)算模型如何選：BJH 修正和吸附層厚度大解密（2）

美國(guó)麥克儀器 2021-09-26 | 閱讀：3648

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之前我們介紹了 BJH 理論的修正方法,，為吸附層厚度計(jì)算開(kāi)了個(gè)頭,。在我們 part 2 中,，將為大家詳細(xì)介紹幾種 t-plot 和 BJH 方法中常用到的吸附層厚度計(jì)算模型,。

點(diǎn)擊此處回顧內(nèi)容：

大家知道,，對(duì)于有孔材料，吸附層厚度不再隨吸附量的遞增而簡(jiǎn)單線性上升,，比如以下微孔和介孔的 t-plot 圖,。

圖1. 微孔與介孔 t-plot 圖

這些吸附層厚度隨吸附量變化的曲線是依據(jù)幾個(gè)吸附層厚度計(jì)算模型得出的，大家在part 1 中應(yīng)該已經(jīng)見(jiàn)過(guò)了（見(jiàn)下圖紅框內(nèi)）：

圖2. 軟件自帶膜厚計(jì)算模型

其中 Reference 是用戶自定義吸附厚層度與相對(duì)壓力 p/p⁰的關(guān)系,，由于 p/p⁰和平衡吸附量的關(guān)系由等溫吸附曲線描述，故吸附厚度層與平衡吸附量的關(guān)系也既得出,。Kruk-Jaroniec-Sayari（KJS）方法在 Part 1 中已介紹過(guò),，這里 KJS 吸附層厚度模型也是用于對(duì) BJH 方法修正的 KJS 方法之中，可針對(duì) MCM-41,、SBA-15 類(lèi)型材料的孔結(jié)構(gòu)分析,。

Halsey 方程是 BJH 方法中最常用的吸附層膜厚計(jì)算模型，此模型假設(shè)單層吸附液膜和液態(tài)吸附質(zhì)有著相同的密度和堆積方式,，并且適用于較高的相對(duì)壓力區(qū)域（多層吸附區(qū)域）的分析,。

其中 t 為吸附層液膜厚度，3.54 和 5.00 為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,，指數(shù) 1/3 由 Lennard-Jones 勢(shì)函數(shù)積分后推導(dǎo)出,。

而 Harkins & Jura 方法對(duì)于凝聚的吸附質(zhì)先建立起了相對(duì)壓力和平衡吸附量的線性關(guān)系：

有上述線性關(guān)系可以得到 A 與 B 值。對(duì)于不同的吸附劑-吸附質(zhì)體系,，A,、B 值各不同，一般經(jīng)驗(yàn)上取 A 為 13.99,，B 為 0.034 帶入如下吸附層厚度計(jì)算公式：

Broekhoff-de Boer 理論假設(shè)吸附層厚度的增減不僅與吸附質(zhì)相對(duì)壓力的大小有關(guān),，還與達(dá)到穩(wěn)定平衡的吸附層自身化學(xué)勢(shì)有關(guān)。平坦吸附劑表面穩(wěn)定的吸附層化學(xué)勢(shì)比液化的吸附質(zhì)化學(xué)勢(shì)要低,，其兩者差值由函數(shù) F(t) 描述,，而且在達(dá)到平衡時(shí)，平坦表面吸附的吸附質(zhì)化學(xué)勢(shì)與氣態(tài)吸附質(zhì)化學(xué)勢(shì)相等,，所以我們可以得出：

對(duì)于氧化物,，氫氧化物材料的多層氮?dú)馕剑?dāng)吸附層厚度大于 5 埃時(shí),，我們有 Broekhoff-de Boer 經(jīng)驗(yàn)式：

這樣,，我們就將 F(t) 與相對(duì)壓力（p/p₀）和吸附層厚度 t 聯(lián)系了起來(lái)，從而可以繪制 t-plot 曲線,。對(duì)于介孔中存在彎曲液面的情況,，吸附劑孔道表面穩(wěn)定的吸附層化學(xué)勢(shì)與宏觀液化的吸附質(zhì)化學(xué)勢(shì)的差值- RTln（p/p₀）可以等于：

（對(duì)于圓柱形孔）

或

（對(duì)于球形孔）

其中 γ 為吸附層的表面張力，ν_m為吸附質(zhì)氣體的摩爾體積,，r 為孔半徑,，t 為吸附層厚度,。

最后，carbon black STSA（Statistical Thickness Surface Area）是一個(gè)測(cè)量炭黑材料總表面積和外表面積國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),，是結(jié)合了炭黑材料本身特性和 Broekhoff-de Boer 理論的方法,。這個(gè)方法先用 BET 方法測(cè)量炭黑材料的總表面積，然后可利用 Broekhoff-de Boer 理論繪制炭黑材料的 t-plot 圖,，通過(guò) t-plot 圖上平坦區(qū)域的斜率得出炭黑材料的外表面積,，最后就可算出炭黑材料的內(nèi)表面積和總孔體積。