摘要：環(huán)保催化劑從廣義上講是能夠改善環(huán)境污染的所有催化劑，近年來(lái)隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”等環(huán)保減排政策的持續(xù)推進(jìn)，加大了對(duì)環(huán)保催化劑的使用，對(duì)環(huán)保催化劑的研究和應(yīng)用越來(lái)越深入。處理不同反應(yīng)物的環(huán)保催化劑有相應(yīng)的性能要求，其中比表面積和孔徑是表征環(huán)保催化劑性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，采用氣體吸附技術(shù)精準(zhǔn)表征環(huán)保催化劑的比表面積、孔隙體積和孔徑分布等物性參數(shù)對(duì)其性能的研究和優(yōu)化方面具有重要的意義。

　　01.環(huán)保催化劑

　　當(dāng)前，煉油、化工和環(huán)保行業(yè)是催化劑的主要應(yīng)用領(lǐng)域。環(huán)保催化劑一般指的是用直接或者間接的方式方法處理有毒、有害物質(zhì)，使之無(wú)害化或減量化，以保護(hù)和改善周?chē)h(huán)境所用的催化劑，廣義上，能夠改善環(huán)境污染的催化劑均可歸屬于環(huán)保催化劑的范疇[1]。環(huán)保催化劑按應(yīng)用方向可分為廢氣處理催化劑、廢水處理催化劑和其他催化劑，如可用于 SO2、NOX、CO2 及 N2O 等廢氣處理的分子篩催化劑、可應(yīng)用于吸附液/氣相污染物的典型吸附劑活性炭以及可降解有機(jī)污染物的半導(dǎo)體光催化劑等。

　　02.環(huán)保催化劑的比表面及孔徑分析表征

　　催化劑表面積是表征催化劑性質(zhì)的重要指標(biāo)之一。催化劑表面積可分為外表面積和內(nèi)表面積，由于環(huán)保催化劑的表面積中絕大部分為內(nèi)表面積，活性中心也往往分布在內(nèi)表面上，一般環(huán)保催化劑的比表面積越大，表面上活化中心點(diǎn)多，催化劑對(duì)反應(yīng)物吸附能力強(qiáng)，這些都對(duì)催化活性有利。此外，孔結(jié)構(gòu)的類(lèi)型對(duì)催化劑的活性、選擇性及強(qiáng)度等有很大影響。反應(yīng)物分子在被吸附之前，必須通過(guò)催化劑的孔內(nèi)擴(kuò)散才能到達(dá)催化劑內(nèi)表面的活性中心，這種擴(kuò)散過(guò)程與催化劑的孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的擴(kuò)散規(guī)律和表觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，例如分子篩催化劑的極強(qiáng)的選擇性，就是由于它的孔徑尺寸只能允許某種分子進(jìn)入孔內(nèi)，到達(dá)催化劑表面而被催化。

　　綜上所述，對(duì)環(huán)保催化劑的比表面積、孔徑分布等性能參數(shù)進(jìn)行表征是非常有必要的。目前，氣體吸附技術(shù)是材料物理性能表征的重要方法之一，基于吸附分析能夠?qū)Νh(huán)保催化劑的比表面積、孔容及孔徑分布等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的表征，從而可以進(jìn)一步分析材料的催化活性、選擇性、反應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散速率和反應(yīng)效率等，為更優(yōu)性能的環(huán)保催化劑材料提供精準(zhǔn)的表征。

　　03.比表面積和孔徑分布在環(huán)保催化劑表征中的應(yīng)用案例

　　（1）分子篩的比表面積及孔徑分布表征

　　分子篩催化劑作為綠色催化劑的代表，具有規(guī)則而均勻的孔道結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的酸中心和氧化-還原活性中心，較大的比表面積以及可調(diào)節(jié)的功能基元，因孔徑大小數(shù)量級(jí)不同，它只允許直徑比孔徑小的分子進(jìn)入，而將直徑比孔徑大的分子“拒之門(mén)外”，因此分子篩是性能優(yōu)異的催化劑和催化劑載體，被廣泛用作吸附材料、離子交換材料以及催化材料。高性能是分子篩催化劑進(jìn)行催化的最基本的要求和目標(biāo)。催化活性要求分子篩的比表面積大、孔的分布均勻、且孔徑可調(diào)節(jié)。分子篩催化劑按孔徑大小分類(lèi)可分為微孔分子篩、介孔分子篩、大孔分子篩及多級(jí)孔分子篩，在一定的條件下，多級(jí)孔分子篩 有利于同時(shí)發(fā)揮微孔分子篩良好熱穩(wěn)定性和介孔分子篩較強(qiáng)分子擴(kuò)散性[2]。

　　采用國(guó)儀量子自研的UltraSorb X800系列高性能微孔分析儀對(duì)分子篩的比表面及孔徑分布進(jìn)行表征。測(cè)試前，樣品在300℃真空條件下加熱6小時(shí)進(jìn)行脫氣處理。如圖1所示，通過(guò)多點(diǎn)BET方程計(jì)算出樣品的比表面積為776.53 m2/g，再進(jìn)一步通過(guò)t-plot方法得到樣品的微孔面積為672.04 m2/g，外表面積為 161.35 m2/g，微孔體積為 0.108 ml/g，由此可知該分子篩的微孔面積在總比表面積中占約86%。此外，對(duì)該分子篩的N2吸附-脫附等溫曲線圖（圖2左）進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，吸附等溫線在相對(duì)壓力較小時(shí)發(fā)生微孔內(nèi)吸附，吸附量隨相對(duì)壓力升高而急劇增加，達(dá)到一定值后曲線較為平緩，說(shuō)明樣品具有豐富微孔。分子篩含有豐富的微孔時(shí)對(duì)其微孔結(jié)構(gòu)的表征是主要研究方向，通過(guò)圖2右圖中微孔孔徑分析，該分子篩在0.47 nm處有集中的微孔孔徑分布[h1] ，分子篩的孔徑分布會(huì)影響其吸附特性，孔徑表征可為其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用方向提供參考依據(jù)。

圖1 分子篩樣品的比表面積測(cè)試結(jié)果（上）和t-Plot結(jié)果（下）

圖2 分子篩樣品的N2-吸脫附等溫曲線圖（上）和SF-孔徑分布曲線圖（下）

　?。?）活性炭的比表面積及孔徑分布表征

　　活性炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，且具有優(yōu)良的抗熱、抗酸堿腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于吸附、分離、催化等領(lǐng)域，特別在水處理和氣體處理方面，活性炭起到重要作用。比表面積是用來(lái)衡量活性炭吸附性能的指標(biāo)之一，活性炭的比表面積包括內(nèi)表面積和外表面積，其吸附性能主要來(lái)自于巨大的內(nèi)表面積?；钚蕴课綑C(jī)理如圖3所示，一般認(rèn)為，活性炭的大孔主要作為吸附污染物分子的通道，中孔既是吸附污染物分子的通道又可以發(fā)生毛細(xì)管凝結(jié)作用而吸附大分子，微孔則對(duì)活性炭吸附性能起支配作用，活性炭的吸附性能基本取決于其孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)[3]。對(duì)活性炭的改性處理主要考察其對(duì)活性炭孔徑的影響，孔徑的變化會(huì)引起孔容和比表面的變化，最終引起活性炭吸附及催化性能的變化。

圖3 活性炭吸附機(jī)理示意圖[4]

　　以下是采用V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)不同改性活性炭材料的表征案例，由圖4可知，活性炭1#和活性炭2#的比表面積分別為1962.96 m2/g和2752.07 m2/g，活性炭2#具有更高的比表面積。從N2-吸脫附等溫線（圖5）可知兩種活性炭主要都呈現(xiàn)出Ⅰ類(lèi)等溫線，說(shuō)明這兩種活性炭主要以微孔為主，其中活性炭2#在前期微孔階段的吸附量明顯高于活性炭1#，對(duì)不同活性炭比表面積的表征可為研究者提供材料不同改性方向的參考。通過(guò)HK-孔徑分布圖（圖6）可以得到活性炭1#和活性炭2#的HK最可幾孔徑分別是0.69 nm和0.72 nm，兩種不同改性活性炭的微孔孔徑分布有所變化，通過(guò)分析不同改性活性炭之間的微孔孔徑分布差異可以初步預(yù)估催化性能以及為后續(xù)孔結(jié)構(gòu)調(diào)控提供依據(jù)。

圖4 活性炭1#的比表面積測(cè)試結(jié)果（上）和活性炭2#的比表面積測(cè)試結(jié)果（下）

圖5 活性炭1#的N2-吸脫附等溫線（上）和活性炭2#的N2-吸脫附等溫線（下）

圖6 活性炭1#的HK-孔徑分布圖（上）和活性炭2#的HK-孔徑分布圖（下）

　?。?）光催化劑的比表面積及孔徑分布表征

　　光催化技術(shù)是一種利用光催化劑在光照射下產(chǎn)生強(qiáng)還原性的光生電子和強(qiáng)氧化性的光生空穴的技術(shù)，光生電子和空穴可以推動(dòng)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，也能產(chǎn)生各種自由基，進(jìn)而將各種較難處理的污染物氧化成二氧化碳和水等[5]，圖7為光催化復(fù)合材料降解污染物機(jī)理示意圖。光催化技術(shù)因具有能耗低、無(wú)二次污染、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，其中光催化劑是光催化技術(shù)的關(guān)鍵，而比表面積是影響光催化劑的光催化性能的重要因素之一，大的比表面積能夠提供更多的活性位點(diǎn)參與反應(yīng)，從而增強(qiáng)光催化活性[6]。石墨相氮化碳（g-C3N4）由于不含金屬元素、易于合成、具有良好的光學(xué)和電子性能、優(yōu)異的熱和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)具有良好的應(yīng)用前景，但低的比表面積會(huì)導(dǎo)致其光催化活性降低，因此目前有很多研究提出多種改性方法。

圖7 光催化劑作用機(jī)理示意圖[7]

　　采用V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)不同合成的g-C3N4材料進(jìn)行表征，如圖8所示，在改性前該g-C3N4的比表面積為3.85 m2/g，改性后比表面積增加到20.37 m2/g，更大的比表面積可以提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化性能的提高。對(duì)改性后的g-C3N4材料進(jìn)行孔徑分析，如圖9所示，該光催化劑在介孔階段有分段的分布，BJH最可幾孔徑為167.39 nm，同時(shí)也存在微孔分布，SF最可幾孔徑為0.90 nm，根據(jù)孔徑分布和孔體積表征可作為不同摻雜改性g-C3N4策略的評(píng)價(jià)手段之一，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有較大的比表面積和總孔容，可以更好地促進(jìn)傳質(zhì)，為光化學(xué)反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化活性的提高。

圖8 改性前（上）和改性后（下）g-C3N4光催化劑的比表面積測(cè)試結(jié)果

圖9 改性后g-C3N4光催化劑的BJH-孔徑分布圖（上）和SF-孔徑分布圖（下）

　　04.國(guó)儀精測(cè)V-Sorb X800系列

　　國(guó)儀精測(cè)V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀采用靜態(tài)容量法測(cè)試原理，具備完全的自動(dòng)化操作，人性化的操作界面，簡(jiǎn)單易學(xué)。產(chǎn)品技術(shù)通過(guò)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技成果鑒定，被歐美高校、科研實(shí)驗(yàn)室選購(gòu)使用，獲得一致好評(píng)，樹(shù)立了優(yōu)良的國(guó)產(chǎn)品牌形象。

全自動(dòng)比表面及孔徑分析儀V-Sorb X800系列

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標(biāo)簽：氣體吸附技術(shù)