粉體材料因其獨特的物理和化學性質，除了是傳統工業的基礎原料，也在眾多高精尖領域中發揮著舉足輕重的作用，而要確保這些材料在各種應用中的性能和質量，對粉體的粒度分布、比表面積、孔隙結構、形態特征、表面性質等關鍵指標進行精確表征，揭示材料的內在特性至關重要。目前，針對不同檢測項目的粉體檢測技術層出不窮，其中氣體吸附技術通過測量氣體分子在固體表面的吸附行為，能夠提供關于粉體比表面積、孔容、孔徑分布等關鍵信息，在超細粉體、多孔粉體表征中得到了廣泛應用。

安東帕氣體吸附分析儀

氣體吸附技術用于測量粉體比表面積

比表面積是單位質量物質所具有的總表面積。在催化劑、吸附劑、藥物載體等依賴于表面反應的應用中，比表面積是衡量材料表面活性位點數量的重要指標，高比表面積意味著更多的活性位點，能夠促進反應物分子的有效接觸，對于催化效率、表面吸附能力以及傳質速率等表面效應提升有顯著的作用。與此相反，在對于需要流動性高的粉體中，高比表面積則意味著擁有更復雜的表面結構，使其在流動過程中更容易發生團聚或橋接。

目前，氣體吸附技術因其測試原理的科學性，測試過程的可靠性，測試結果的一致性，成為了粉體材料比表面積的表征技術中應用性最廣泛、最精確的方法，許多國際標準組織都已將氣體吸附法列為比表面積測試標準。該技術的原理是依據氣體在固體表面的吸附特性，在一定的壓力下，被測樣品顆粒（吸附劑）表面在超低溫下對氣體分子（吸附質）具有可逆物理吸附作用，并對應一定壓力存在確定的平衡吸附量，此時整個材料表面將被單層氣體分子層完全覆蓋。通過測定出該平衡吸附量，計算得到吸附的氣體分子數，又由于單個吸附氣體分子的截面積是已知的，因此可計算得到樣品的表面積，最終將表面積除以樣品的重量即可得出粉體的比表面積。

氣體分子吸附形成的過程

氣體吸附法用于表征多孔粉體

孔容、孔徑分布等是多孔粉體性能的關鍵指標，其中，孔容是指單位質量或體積材料中孔隙的總體積，孔徑分布是指孔容隨孔徑的變化或者分布。在催化、藥物傳遞、能量儲存和轉換等應用中，孔容、孔徑分布等直接關系到材料的儲存能力，以及物質傳輸效率。通常，微孔(<2nm)有利于氣體分子或離子的吸附、中孔(2-50nm)常用于催化劑或化學藥品的載體、而大孔(>50nm)則更適用于過濾、分離、能量存儲等領域。因此，這些孔結構的表征有利于確定多孔粉體的適用性。

利用氣體吸附法對粉體孔結構進行表征，可測孔徑范圍從0.35nm到100nm以上，涵蓋了全部微孔和介孔，甚至延伸到大孔，且相對于其它方法，容易操作，成本較低。其原理是基于毛細冷凝現象和體積等效交換，即孔容積為被測孔中充滿的氣體量，而孔徑分布則可通過測量樣品在不同壓力條件下（壓力P與飽和壓力P0）的凝聚氣量，繪制出其等溫吸附和脫附曲線，利用理論模型求出。通常，等溫吸脫附曲線有六種類型。

①Ⅰ型等溫線

Ⅰ類等溫線的特征是在相對較低的壓力下迅速達到吸附量的最大值，隨后即使壓力繼續增加，吸附量也幾乎不再變化一般。該類等溫線往往反映的是微孔吸附劑（分子篩、微孔活性炭）上的微孔填充現象，飽和吸附值等于微孔的填充體積。

②Ⅱ型等溫線

Ⅱ類等溫線是發生在金屬粉末和石英砂等非多孔性固體表面或大孔、無孔材料上，且與吸附質存在較強相互作用的吸附過程。由于吸附質與表面存在較強的相互作用，在較低的相對壓力下吸附量迅速上升，曲線上凸。等溫線拐點通常出現于單層吸附附近，隨相對壓力的繼續增加，多層吸附逐步形成，達到飽和蒸汽壓時，吸附層無窮多，導致試驗難以測定準確的極限平衡吸附值。

③Ⅲ類等溫線

這類等溫線也對應無孔或者大孔的材料。但與Ⅱ類曲線不同的是，該曲線的出現是由于吸附劑-吸附質的相互作用相對較弱，并且被吸附的分子聚集在無孔或大孔固體表面上最有利的位點周圍，因此沒有可識別的單層形成，無法出現Ⅱ類等溫線中的B點。

④Ⅳ類等溫線

IV類曲線屬于介孔材料（如沸石、硅膠等）的吸附等溫線，常表現為吸附曲線與脫附曲線不一致，可以觀察到遲滯回線，最終形成吸附飽和的平臺。出現該曲線的原因是：材料首先發生如II類曲線的單層吸附和多層吸附行為，但隨后孔壁上的吸附層達到足夠厚度時發生毛細凝聚，導致脫附遲滯現象，表現為吸附量隨平衡壓力增加時測得的吸附線和壓力減小時所測得的脫附線在一定的相對壓力范圍不重合，最終吸附量在接近P/P0=1時形成平臺，吸附達到飽和。

⑤Ⅴ類等溫線

該類曲線通常出現在具有疏水表面的微孔/介孔材料的水吸附行為中。由于吸附材料-吸附氣體之間的相互作用相對較弱，該曲線在低壓區與III型非常相似，但在更高的相對壓力下，由于毛細凝聚的發生，等溫線上升較快，并伴有回滯環。

⑥Ⅵ類等溫線

VI型等溫線通常發生在高度均一的無孔材料表面，氣體會在無孔表面的依次多層吸附，臺階高度代表各吸附層的容量，而臺階的銳度則取決于系統和溫度，但由于實際固體表面大都是不均勻的，一般很難出現該曲線。

值得注意的是，為了得到詳細又準確的孔徑信息，氣體吸附法對于探針氣體分子的選擇有一定的差別，例如氮氣吸附主要用來測試2～50nm的中孔和100nm以上的大孔；而二氧化碳吸附由于二氧化碳在實驗條件下比氮氣擴散速度更快，更易達到飽和吸附，主要用來測試小于2nm的微孔孔隙結構。

小結

未來，隨著新材料的不斷涌現和應用場景的拓展，粉體檢測將繼續發揮關鍵作用，而氣體吸附技術它基于氣體分子在固體表面的吸附行為，在對粉體比表面積、孔容、孔徑分布等關鍵信息的表征上，具有科學可靠、普適性高、一致性好等優點，在粉體檢測領域有著重要的應用。

參考文獻：

1、李春錦.《氣體吸附法測孔技術及應用》. 同濟可持續混凝土；

2、安東帕康塔.《物理吸附 | 吸附等溫線的類型及意義》 .粒度與多孔材料表征；

3、材料與器件檢測技術中心.《科研干貨 | 氣體吸附理論BET原理！值得收藏》；

4、張藍天.《物理吸附常見問題及解答匯總【百測技術局】》. 中科百測

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