氩气吸附比表面及孔径测试

研发背景

汉堡大学(University ofHamburg)的 Früba教授课题组日前在Partikelwelt 17上发表了一篇关于MOFs材料比表面测试的文章来评价氩气作为吸附质进行比表面测试的优越性。

Früba团队选取了几种典型材料并分别用N2 77K，Ar 87K 进行吸附测试，结果表明使用N2作为吸附质，比表面值小于Ar条件下的测试值。具体的测试差值因材料不同而异。因此为了能够得到更准确的数值，建议使用Ar 87K完成比表面测试。

在实验中，氩气等温线的测量通常面临液氩不易获得的问题，使用cryoTune可以有效地解决此问题。cryoTune 是一款体积小巧、经济实惠的可调低温冷浴，由德国3P仪器公司制造。在液氮环境下，该产品可通过设置不同温度（Ar 87K, Kr 120K）来完成Ar，O₂等小分子气体的低温吸附测试，有效地拓展了各类比表面仪的分析能力，本产品在 82 ~ 135 K 范围内可提供精确的温度控制（±0.005 K），用户通过配套的软件可读取温度值。

在ISO 9277和最新版IUPAC (Pure. Appl. Chem. 87(2015) 1051) 中均对氩气替代氮气做吸附分析的优势进行了详细阐述, 具体优势如下：

•  氮分子为椭球形，椭球面的面积为0.145nm²，主平面的面积为0.10nm²，两者差值达到了33%，而氩原子是球形，不存在占位差，可以对样品孔径进行更精确的测量。
•  氮分子是极化分子，能够与样品表面的极性位点发生特定的相互作用，导致测试结果不准确；而氩原子是非极化原子，其测量结果不受样品表面极性位点的影响，测试结果更加可靠。
•  氩气物理吸附等温线可以提供更为细致的吸附细节，在其沸点（87K）时，Ar分析速率明显高于N₂在77K时的分析速率，说明在更高的相对压力下，孔填充更容易发生。
•  用氩气测量时P/P0比氮气高2个数量级，同样的测试速度与测试精度，氩气吸附测试与氮气吸附相比，对仪器的性能要求更低。

图1：几种吸附质在相应温度下的横截面积的对比（N₂, 77K,  Ar, 87K,  Kr ,120K ）


图2：样品在Ar 87K, Kr 120K 条件下的比表面测试值与N2 77K条件下测试的数值比较

产品概览
cryoTune 是一款体积小巧、经济实惠的可调低温冷浴，由德国3P仪器公司制造。在液氮环境下，该产品可通过设置不同温度（Ar, 87K,  Kr ,120K）来完成Ar，O2等小分子气体的低温吸附测试，有效地拓展了各类比表面仪的分析能力，本产品在 82 ~ 135 K 范围内可提供精确的温度控制 （±0.005 K），用户通过配套的软件可读取温度值。

产品特点
    恒温调节范围宽（82-135K）
    使用3支pt-1000精密型铂金电阻，测温的准确度更高
    添加液氮时不需要中断实验
    装置中采用聚四氟乙烯，更换样品管更加方便
    高规格电线电缆设计，能够承受强的机械力作用
    软件界面支持多种语言版本
    德国设计/德国制造/德国品质

测试优势
    适用于各种品牌的比表面分析仪
    杜瓦保温可达48小时以上
    可以在82-135K之间的任意温度点进行吸附测试
    恒温波动在±0.005K之间
    使用廉价的液氮（77K）即可获得液氩温度（87.3K）
    支持不同温度下等温吸附热的测量与计算
    用户可选择其他类型的气体进行吸附实验，例如O2 (90K), Kr(120K), CH4(112K)


图例：使用cryoTune 和使用液氩进行吸附测试的对比，可以看出二者的吻合性非常好

cryoTune可调恒温冷浴搭配JW-BK 200系列比表面测试仪，在使用液氮的条件下，能够利用氩气对微孔样品进行准确地分析测试，测试结果精准，细致。

测试实例


图例：微孔颗粒或微孔板在N₂ 77K，Ar 87K 条件下进行吸附测试


图例：在不同温度下，采用Ar在沸石13X上进行吸附测试


图例：Kr等温吸脱附曲线（119.75K）


图例：沸石13X微孔测试孔径分布曲线 (NLDFT) Ar, 87K