多孔吸附劑是一類具有高比表面積和豐富孔隙結(jié)構(gòu)的材料，能夠通過物理或化學(xué)吸附捕獲并固定氣體或液體中的分子，包括無機(jī)多孔吸附劑（活性炭等）、配位聚合物（MOFs等）以及復(fù)合多孔吸附劑等。多孔吸附劑的吸附能力、吸附選擇性以及效率等核心性能，均與材料的比表面積（決定吸附位點(diǎn)數(shù)量）和孔徑分布（影響吸附質(zhì)擴(kuò)散速率與選擇性）相關(guān)^[1]。

比表面積及孔徑分析儀在多孔吸附劑中的應(yīng)用方向主要包括質(zhì)量控制、研發(fā)新材料、優(yōu)化吸附分離工藝等。然而在實(shí)際表征過程中傳統(tǒng)分析儀普遍面臨一些技術(shù)難題：低相對(duì)壓力（P/P₀ < 0.01）下測(cè)量精度不足、氦氣前置標(biāo)定帶來的氦氣殘留計(jì)算偏差、對(duì)空氣敏感材料的預(yù)處理污染以及分析效率低下等問題。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，國(guó)儀量子SiCOPE 40微孔分析儀通過高精度壓力控制、零氦測(cè)試技術(shù)、靈活預(yù)處理方案及多模型數(shù)據(jù)分析，提供從樣品預(yù)處理到數(shù)據(jù)處理的全流程解決方案，以下結(jié)合實(shí)際測(cè)試案例進(jìn)行具體說明。

1、MOFs材料的比表面積和孔徑分布表征

金屬有機(jī)框架材料（MOFs）憑借其高比表面積、可調(diào)節(jié)的孔結(jié)構(gòu)和易于功能化等特點(diǎn)，成為了備受關(guān)注的新型多孔吸附劑。通過官能團(tuán)修飾和孔徑尺寸調(diào)節(jié)的協(xié)同調(diào)控作用，可以一定程度提升MOFs材料對(duì)氣體捕獲和分離性能^[2]。UiO-66是一種應(yīng)用較多的MOFs吸附劑，常用于氣體吸附、催化反應(yīng)和分子分離等領(lǐng)域。對(duì)于UiO-66這類具有超微孔且比表面積巨大的材料，在傳統(tǒng)物理吸附分析中，氦氣分子在標(biāo)定過程中可能被捕獲在微孔中，影響“死體積"和氮?dú)馕搅坑?jì)算，導(dǎo)致比表面積和孔容的計(jì)算結(jié)果失真，尤其是對(duì)微孔區(qū)的表征影響最為顯著。

SiCOPE 40微孔分析儀采用的He-Free自動(dòng)后標(biāo)定技術(shù)，摒棄了先通氦氣標(biāo)定再測(cè)試的傳統(tǒng)流程，而是先進(jìn)行氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，在獲得完整的吸附-脫附等溫線后，再自動(dòng)進(jìn)行后標(biāo)定測(cè)試，從根本上消除了因氦氣滯留微孔所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。以下是采用國(guó)儀量子SiCOPE 40微孔分析儀對(duì)UiO-66材料的表征案例。如圖1所示，該UiO-66的比表面積為1259.44 m²/g，高比表面積可以提供更多的活性點(diǎn)位，有利于提高其吸附性能。從N₂-吸脫附等溫線（圖2）可知，在低分壓區(qū)（P/P₀＜0.1）吸附量存在急劇上升的趨勢(shì)，表明材料具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)。基于無氦氣干擾的吸附數(shù)據(jù)，通過NLDFT（非定域密度函數(shù)理論）孔徑分布圖可進(jìn)一步分析樣品的孔徑分布，支持自動(dòng)生成 “微孔-介孔-大孔"的孔容占比分析，無需手動(dòng)計(jì)算，提升數(shù)據(jù)分析效率。SiCOPE 40微孔分析儀的He-Free自動(dòng)后標(biāo)定技術(shù)在此類MOFs材料分析中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，消除了傳統(tǒng)測(cè)試因氦氣殘留導(dǎo)致的計(jì)算偏差，確保了比表面積和孔徑表征數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 UiO-66的比表面積測(cè)試結(jié)果

圖2 UiO-66的N₂-吸脫附等溫線

圖3 UiO-66的NLDFT孔徑分布圖

2、活性炭材料的比表面積和孔徑分布表征

活性炭是一種多孔碳質(zhì)吸附劑，椰殼活性炭作為常用的微孔吸附劑，在VOCs吸附、水質(zhì)凈化等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛，椰殼活性炭孔徑的大小直接影響能夠吸附的分子類型和大小，而孔徑分布的均勻性則影響吸附過程的效率和選擇性。在傳統(tǒng)微孔表征中，因從樣品預(yù)處理轉(zhuǎn)移到測(cè)試過程中空氣暴露導(dǎo)致的預(yù)吸附會(huì)嚴(yán)重扭曲分析結(jié)果。而SiCOPE 40微孔分析儀提供原位與異位雙預(yù)處理方案，適配不同類型樣品的預(yù)處理需求，此外還配備空氣隔離塞與真空隔離塞可以從根源上解決這一問題。

以下是采用國(guó)儀量子SiCOPE 40微孔分析儀對(duì)椰殼活性炭材料的表征案例。測(cè)試過程中使用空氣隔離塞/真空隔離塞，將樣品在回填保護(hù)氣/真空狀態(tài)下從脫氣站轉(zhuǎn)移至分析口，從脫氣、轉(zhuǎn)移到測(cè)試全程阻斷外部干擾，解決了傳統(tǒng)設(shè)備因空氣污染導(dǎo)致的測(cè)試偏差問題，為超微孔材料的精準(zhǔn)表征提供了關(guān)鍵保障。圖4為椰殼活性炭的比表面積測(cè)試結(jié)果1377.10 m²/g。通過分析等溫線（圖5）可知，椰殼活性炭主要屬于Ⅰ類等溫線。進(jìn)一步采用NLDFT全孔徑分析（圖6），椰殼活性炭的總孔體積為0.58 ml/g，微孔體積占比89.96%。此外，在報(bào)告處理環(huán)節(jié)，SiCOPE 40 微孔分析儀同樣展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，交互式數(shù)據(jù)分析界面支持拖拽數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)比表面積、孔徑分布曲線等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)兼具“BET 一鍵智能選點(diǎn)"功能可自動(dòng)識(shí)別微孔材料的BET線性區(qū)間，解決了傳統(tǒng)設(shè)備中微孔材料BET段前移的選點(diǎn)難題，無需人工干預(yù)即可自動(dòng)選取合適的BET選點(diǎn)范圍，避免人工選點(diǎn)偏差。

圖4 椰殼活性炭的比表面積結(jié)果

圖5 椰殼活性炭的N₂-吸脫附等溫線

圖6 椰殼活性炭的NLDFT-孔徑分布圖

參考文獻(xiàn)：

1.吳凡,張明美,趙磊,等. 用于VOCs吸附的多孔材料的研究進(jìn)展[J]. 化工環(huán)保, 2023, 43 (06): 757-766.

2.趙杰,劉森,殷齊康,等. 三角形MOF孔道中CO₂捕獲分離：孔徑尺寸和官能團(tuán)數(shù)量的影響 [J]. 化工新型材料, 2024, 52 (S1): 223-228+235.

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