BET 理論

BET理論（Brunner-Emmett-Teller 理論的縮寫(xiě)）被用來(lái)測(cè)試固體或者多孔材料的比表面積。材料的比表面積大小能夠影響固體與周圍環(huán)境之間的相互作用，所以BET理論所給出的材料物理結(jié)構(gòu)方面的信息尤為重要。像溶解速率，催化性能，保濕性能，材料壽命這些眾多特性無(wú)一不與材料的比表面積息息相關(guān)。在固體材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)參數(shù)把控方面，比表面積分析更是固體多孔材料性能表征的主要方法之一。我們將帶您一起了解BET比表面積分析過(guò)程和該方法的應(yīng)用領(lǐng)域。

BET比表面積的確定方法：測(cè)試原理

改變材料比表面積的方法有很多，如合成或者工藝處理。當(dāng)某個(gè)顆粒被分割成更小的顆粒時(shí)，新的表面就形成了，從而表面面積增加了。與此相似，當(dāng)顆粒內(nèi)部通過(guò)溶解、分解、或其它的一些物理或者化學(xué)的方法形成孔洞，它的表面積也會(huì)相應(yīng)增加。像活性炭這樣具有豐富的窄孔結(jié)構(gòu)的材料，僅1g 就具有高達(dá)2000 m2 的比表面積！

在BET理論的應(yīng)用中，真正的比表面積包含表面的不規(guī)則部分和內(nèi)部孔洞，需要在原子級(jí)別上通過(guò)吸附惰性氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槎鄶?shù)氣體和固體之間的相關(guān)作用力比較微弱，必須要使用冷凝劑讓材料表面充分冷卻。發(fā)生吸附時(shí)，固體樣品的溫度保持恒定，而吸附氣體的壓力或者濃度持續(xù)增加。圖1展示了一個(gè)典型的物理吸附等溫線，橫坐標(biāo)是相對(duì)壓力，縱坐標(biāo)是樣品對(duì)該吸附氣的吸附量。

圖1：吸附等溫線舉例

隨著吸附氣體的相對(duì)壓力逐漸增大，越來(lái)越多的氣體分子將吸附在材料表面。當(dāng)吸附發(fā)生到一定階段時(shí)，整個(gè)材料表面將由單層氣體分子形成的分子層完全覆蓋（圖2深紅色部分）。我們可以通過(guò)此時(shí)的吸附體積計(jì)算得到單分子層的分子數(shù)目。單個(gè)分子所具有的橫截面積是已知的，因此我們可以計(jì)算出材料的表面積。然而氣體吸附中氣體的壓力和吸附量之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系（如圖1所示），因此我們必須選擇一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算比表面積，這個(gè)數(shù)學(xué)模型就是BET方程。

圖2：?jiǎn)畏肿訉游叫纬?的過(guò)程

圖3：BET比表面積計(jì)算原理的解釋

BET方程式

BET方程（以Brunauer，Emmett以及 Teller這三位建立此理論的科學(xué)家的名字命名的）發(fā)表于1938年（Brunauer，1938），此后成為確定固體材料氣體吸附領(lǐng)域中形成單分子層吸附所需要的分子個(gè)數(shù)XmZ為廣泛的方法。BET方程（見(jiàn)方程1）描述了既定的相對(duì)壓力P/P0和對(duì)應(yīng)的吸附分子數(shù)目之間的關(guān)系，C是一個(gè)和吸附熱相關(guān)的二級(jí)參數(shù)。

方程1： BET方程

BET方程描述了1/[X(P0/P)-1] vs. P/P0的之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。對(duì)于大多數(shù)固體材料，當(dāng)使用氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì)時(shí)，等溫線僅僅在一個(gè)非常有限的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，這個(gè)范圍一般是相對(duì)壓力P/P0 0.05 到0.35。圖4為一個(gè)典型的BET曲線。

圖4：BET曲線舉例

表面積SA可以通過(guò)方程2中的斜率和截距計(jì)算得到。

方程2：表面積計(jì)算

CSA 是氣體吸附質(zhì)分子的橫截面積（Lowell, 2004）

BET原理的應(yīng)用

任何固體材料都可能需要使用氣體吸附法的表征來(lái)得到它的比表面積。比表面積分析在常見(jiàn)領(lǐng)域中的應(yīng)用是極其重要的，如碳材料的生產(chǎn)和深加工，醫(yī)藥行業(yè)，催化行業(yè)，電池行業(yè)，陶瓷材料行業(yè)以及礦物行業(yè)。

炭黑

炭黑

在橡膠生產(chǎn)行業(yè)，炭黑已成為應(yīng)用量ZD的材料，可以用于增強(qiáng)橡膠的性能。炭黑的比表面積決定了它所能夠應(yīng)用的領(lǐng)域和相關(guān)性能。高比表面積的炭黑用于具有高耐磨性的領(lǐng)域中（輪胎胎面），而 低比表面積的炭黑具有較低的硬度和抗拉強(qiáng)度，因此非常適合于電線絕緣等領(lǐng)域。

制藥行業(yè)

藥品

許多藥物粉末是由多種原料混合而成的，包含了藥物活性組分（APIs），粘合劑、潤(rùn)滑劑以及輔料。這些材料都需要BET比表面積的表征，以確保所選取的材料具有合適的溶解度，粘聚力和生物活性。

催化行業(yè)

固體均相催化劑被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)化過(guò)程中，它一般是由活性組負(fù)載在非活性的載體上而組成。兩個(gè)組分的表面積對(duì)反應(yīng)速率和產(chǎn)物收率都有影響，因此比表面積分析成為催化領(lǐng)域研發(fā)者和生產(chǎn)商至關(guān)重要的表征手段。

催化劑

電池行業(yè)

電池不同的組件的性能，如電池正極，負(fù)極以及電池隔膜都可能受到它們比表面積的影響。電池的充電放電速率、電阻以及電容量都和這些材料的比表面積息息相關(guān)。更多資訊，請(qǐng)閱讀我們“電池正負(fù)極材料比表面積的確定”技術(shù)文檔。

電池

陶瓷材料

陶瓷材料被應(yīng)用于數(shù)以萬(wàn)計(jì)的日常產(chǎn)品中，如玻璃，水泥以及技術(shù)含量更高的半導(dǎo)體和芯片行業(yè)。比表面積對(duì)這類材料的燒結(jié)性能，保溫性能和濕度保持等都有影響。因此比表面積分析在陶瓷材料的選擇和生產(chǎn)上都具有非常重要的作用。

結(jié)論

應(yīng)用于氣體吸附法中的BET原理，可以在不考慮材料顆粒大小和形狀的前提下應(yīng)用于多孔和無(wú)孔材料的表征中。因此這是一個(gè)探究固體材料世界的利刃。

參考文獻(xiàn)：

Brunauer,S. et al. (1938). Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society, pp. 309–319.

Lowell, S. et al. (2004). Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density. 1st ed. Dordrecht, The Netherlands: Springer.

Thommes, M. et al. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, pp. 1051–1069.