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1、课课程程简简介介v新能源状新能源状态过态过程的温度程的温度测测量量v新能源状态过程的压力测量新能源状态过程的压力测量v新能源流动过程的动态测量新能源流动过程的动态测量v流场动态测试技术流场动态测试技术v热量热流及功率测量热量热流及功率测量新能源过程、状态测试技术：新能源过程、状态测试技术：课课程程简简介介v宏观物性测定 v色谱分析v光谱分析新能源材料测试与分析技术：新能源材料测试与分析技术：热分析衍射分析电子显微分析课课程程简简介介新能源材料测试与分析技术：新能源材料测试与分析技术：辛勤辛勤,罗孟飞罗孟飞.现代催化研究方法现代催化研究方法.北京：北京：科学出版社科学出版社，2009. 新能源材
2、料新能源材料宏观物性测定宏观物性测定第六章第六章u表面积表面积u孔体积和孔径分布孔体积和孔径分布u颗粒度颗粒度u密度密度u机械强度等机械强度等v材料的宏观物性主要包括：材料的宏观物性主要包括：6.1 表面积测定的意义表面积测定的意义u陶瓷陶瓷u燃料电池燃料电池6.1 表面积测定的意义表面积测定的意义u催化剂催化剂： v原级粒子原级粒子：含微孔的纳米级晶粒；：含微孔的纳米级晶粒；v二二次次粒粒子子：原原级级粒粒子子聚聚集集而而成成的的微微米级颗粒；米级颗粒；v粒团粒团：不同几何外形的颗粒集合体。：不同几何外形的颗粒集合体。v 固体固体催化剂是具有发达孔隙结构的颗粒集合体催化剂是具有发达孔隙结构的
3、颗粒集合体。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论6.2.1 6.2.1 吸附相关概念吸附相关概念（1 1）界面与表面）界面与表面u界界面面(interface)(interface)：互互不不混混溶溶的的两两相相接接触触所所形形成成的的过过渡区。吸附作用发生在两相界面上。渡区。吸附作用发生在两相界面上。u表面表面(surface)(surface)：有：有气体气体参与形成的界面。参与形成的界面。v 界面及表面种类界面及表面种类v气气 - -气气6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论6.2.1 6.2.1 吸附相关概念吸附相关概念（2 2）吸收、吸附及吸）吸收、吸附及吸着着当当一一
4、定定量量的的气气体体与与洁洁净净固固体体接接触触时时，一一部部分分气气体体将将被被固固体捕获。体捕获。u从从气气相相中中消消失失的的气气体体分分子子若若进进入入固固体体内内部部，被被称称为为吸吸收收(absorption)(absorption)；u若附着于固体表面，被称为若附着于固体表面，被称为吸附吸附(adsorption)(adsorption)；u吸收和吸附统称为吸收和吸附统称为吸着吸着(sorption)(sorption)。v 例：储氢材料例：储氢材料v 例：竹炭除甲醛例：竹炭除甲醛6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论（3 3）吸附剂、吸附物及吸附质）吸附剂、吸附物及吸附质
5、u吸吸附附剂剂(adsorbent)(adsorbent)：能能有有效效的的从从气气相相吸吸附附某某些些组组分分的固体物质。的固体物质。u吸附物吸附物(adsorptive)(adsorptive)：在气相中：在气相中可可被吸附的物质。被吸附的物质。u吸附质吸附质(adsorbate)(adsorbate)：在气相中：在气相中已已被吸附的物质。被吸附的物质。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论（4 4）物理吸附与化学吸附）物理吸附与化学吸附 固气表面上存在物理吸附和化学吸附两类现象。固气表面上存在物理吸附和化学吸附两类现象。u物物理理吸吸附附(physisorption)(physis
6、orption)：由由范范德德华华力力(van (van der der WaalsWaals力力引起，它的性质类似于气体的液化。引起，它的性质类似于气体的液化。u化化学学吸吸附附(chemisorption)(chemisorption)：涉涉及及化化学学成成键键，吸吸附附质质分分子与吸附剂之间有电子的交换、转移或共有。子与吸附剂之间有电子的交换、转移或共有。注注：本本质质区区别别是是气气体体分分子子与与固固体体表表面面之之间间作作用用力力的的性性质质。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论（4 4）物理吸附与化学吸附：区别）物理吸附与化学吸附：区别（4 4）物理吸附与化学吸附：联系）
7、物理吸附与化学吸附：联系6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论吸附势能曲线吸附势能曲线v曲线曲线1 1：物理吸附物理吸附能能量图。量图。v曲曲线线2 2：化化学学吸吸附附能能量图。量图。v曲曲线线1 1与与曲曲线线2 2的的交交点点6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论（5 5）吸附量和吸附曲线）吸附量和吸附曲线u吸吸附附量量：是是一一个个热热力力学学量量，是是表表示示吸吸附附现现象象最最重重要要的的数数据据。常常用用单单位位质质量量吸吸附附剂剂吸吸附附的的吸吸附附质质的的体体积积( (V V) )表表示示，是是温温度度( (T T) )、气气体体平平衡衡压压力力( (p p) )
8、、吸吸附附质质( (g g) )以以及吸附剂及吸附剂( (s s) )性质的函数。性质的函数。V V= =f f p p, ,T T, ,u u( (g g),),w w( (s s)（5 5）吸附量和吸附曲线）吸附量和吸附曲线u吸附曲线吸附曲线：6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论v 对对 V V= =f f p p, ,T T, ,u u( (g g),),w w( (s s)v当当吸吸附附剂剂和和吸吸附附质质固固定定后后，吸吸附附量量只只与与温温度度和和气气体体平衡压力有关：平衡压力有关：v V V= =f f p p, ,T T v出出于于不不同同的的研研究究目目的的，常常固固
9、定定其其中中一一个个参参数数，研研究究其其它它两两个个参参数数之之间间的的关关系系，它它们们的的关关系系曲曲线线称称为为吸吸附附曲线曲线。其中：。其中：v吸附等压线吸附等压线( (adsorption isobar)adsorption isobar)：p p= =常数，常数，V V= =f f( (T T););v吸附等量线吸附等量线(adsorption isostere)(adsorption isostere)：V V= =常数，常数，p p= =f f( (T T););v吸附等温线吸附等温线(adsorption isotherm)(adsorption isotherm)：T T
10、= =常数，常数，V V= =f f( (p p) )。（6 6）吸附等温线）吸附等温线u吸附现象的描述主要采用吸附现象的描述主要采用吸附等温线吸附等温线；u往往采用吸附量往往采用吸附量V V与气体相对压力与气体相对压力p/pp/p0 0的关系表达：的关系表达： V V= =f f( (p/pp/p0 0) ) u实实验验测测定定的的原原则则：在在恒恒定定温温度度下下，将将吸吸附附剂剂置置于于吸吸附附质质气气体体中中，待待达达到到吸吸附附平平衡衡后后测测定定气气体体的的平平衡衡压压力力和和吸附量。吸附量。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论6
11、.2.2 6.2.2 吸附理论模型吸附理论模型1. 1. 吸附理论发展概述吸附理论发展概述2. Langmuir2. Langmuir吸附等温式吸附等温式 Langmuir Langmuir模型的基本假设为：模型的基本假设为：u吸附剂表面存在吸附位，吸附质分子吸附剂表面存在吸附位，吸附质分子只能单层吸附只能单层吸附于于吸附位上；吸附位上；u吸附位在热力学和动力学意义上是均一的吸附位在热力学和动力学意义上是均一的( (吸附剂表面吸附剂表面性质均匀性质均匀) )，吸附热与表面覆盖度无关；，吸附热与表面覆盖度无关；u吸附分子间无相互作用；吸附分子间无相互作用；u吸附吸附- -脱附过程处于动力学平衡之
12、中。脱附过程处于动力学平衡之中。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论2. Langmuir2. Langmuir吸附等温式吸附等温式 =V/Vm=ap/(1+ap)uI I LangmuirLangmuir. J Am Chem Soc, 1916, 38 (11): 2221-. J Am Chem Soc, 1916, 38 (11): 2221-2295.2295.u单层吸附单层吸附理论；理论；u既可应用于既可应用于物理吸附物理吸附，也可应用于，也可应用于化学吸附化学吸附。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论2. Langmuir2. Langmuir吸附等温式吸附等温式
13、=V/Vm=ap/(1+ap)u压力很低或吸附很弱时，压力很低或吸附很弱时，= =apap，吸附量与平衡压力成，吸附量与平衡压力成正比正比(Henry(Henry定律定律) )；u压力很大或吸附很强时，压力很大或吸附很强时，11，吸附量为单层吸附容，吸附量为单层吸附容量，与压力无关。量，与压力无关。u可求得单层吸附容量可求得单层吸附容量V Vm m和吸附平衡常数和吸附平衡常数a a。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论2. Langmuir2. Langmuir吸附等温式吸附等温式LangmuirLangmuir公式的缺点公式的缺点：u假设吸附是单分子层的，与事实不符。假设吸附是单分子
14、层的，与事实不符。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论v BET BET公式公式3 3. BET. BET吸附吸附理论理论 BET BET吸附理论吸附理论的基本假设为：的基本假设为：u保留了保留了LangmuirLangmuir模型中吸附热与表面覆盖度无关及吸模型中吸附热与表面覆盖度无关及吸附分子间无相互作用的假设，又附分子间无相互作用的假设，又补充补充了：了：u吸附可以是多分子层的，且不一定完全铺满单层后再吸附可以是多分子层的，且不一定完全铺满单层后再铺其它层；铺其它层；u第一层吸附是气体分子与固体表面直接作用，其吸附第一层吸附是气体分子与固体表面直接作用，其吸附热热( (E E1
15、1) )与以后各层吸附热不同；而第二层以后各层则与以后各层吸附热不同；而第二层以后各层则是相同气体分子间的相互作用，各层吸附热都相同，是相同气体分子间的相互作用，各层吸附热都相同，为吸附质的液化热为吸附质的液化热( (E EL L) )。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论3. BET3. BET吸附理论吸附理论uS S B Brunauer, PH runauer, PH E Emmett, E mmett, E T Teller. J Am Chem Soc, eller. J Am Chem Soc, 1938, 60 (2): 309-319.1938, 60 (2): 309
16、-319.6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论3. BET3. BET吸附理论吸附理论uS S B Brunauer, PH runauer, PH E Emmett, E mmett, E T Teller. J Am Chem Soc, eller. J Am Chem Soc, 1938, 60 (2): 309-319.1938, 60 (2): 309-319.u多分子层多分子层吸附理论；吸附理论；u适用于适用于物理吸附物理吸附，是测固体表面积的理论依据。，是测固体表面积的理论依据。u基基于于BETBET公公式式测测定定吸吸附附量量和和计计算算固固体体表表面面积积的的方方法法
17、被被称称为为BETBET法法。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论3. BET3. BET吸附理论吸附理论 6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论二二常常数数：V Vm m为为固固体体表表面面铺铺满满单单分分子子层层时时的的吸吸附附量量；C C为为与与吸吸附附热热E E1 1和和E EL L及及温温度度有有关关的的常常数数。故故称称上上式式为为二二常常数数BETBET公式公式。可求得可求得V Vm m和和C C。3. BET3. BET吸附理论吸附理论从从V Vm m可可算算出出固固体体表表面面铺铺满满单单分分子子层层时时所所需需的的分分子子数数。若若已知每个分子的截面积，就可以
18、求出吸附剂的表面积。已知每个分子的截面积，就可以求出吸附剂的表面积。 S S=(=(V Vm m/22400)/22400)N Na am m u以上是气体吸附以上是气体吸附BETBET法测表面积的原理。法测表面积的原理。u表面积常用单位质量的吸附剂的总表面积表示表面积常用单位质量的吸附剂的总表面积表示, ,即即比表比表面积面积。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论4. BET4. BET公式的适用性公式的适用性 受受BETBET吸吸附附理理论论的的多多层层物物理理吸吸附附模模型型限限制制，二二常常数数BETBET公公式式只适用于处理相对压力为只适用于处理相对压力为0.050.050.
19、350.35的吸附数据。的吸附数据。6.2 吸附相关概念及理论吸附相关概念及理论？v1 1. . 比表面积测试标准比表面积测试标准uGB/T 19587-2004GB/T 19587-2004气体吸附气体吸附BETBET法测定固体物质比表面积法测定固体物质比表面积；uGB/T 5816-1995GB/T 5816-1995催化剂和吸附剂表面积测定法催化剂和吸附剂表面积测定法。6.3表面积测定表面积测定u中中华华人民共和国人民共和国国家国家标标准准代号：代号：v GB- GB-强强制性国家制性国家标标准代号；准代号；v GB/T- GB/T-推荐性国家推荐性国家标标准代号。准代号。u中中华华人民
20、共和国行人民共和国行业标业标准代号准代号行业标准名称行业标准名称行业标准代号行业标准代号主管部门主管部门农业农业NY农业部水产水产SC农业部水利水利SL水利部林业林业LY国家林业局轻工轻工QB国家轻工业局纺织纺织FZ国家纺织工业局医药医药YY国家药品监督管理局民政民政MZ民政部教育教育JY教育部烟草烟草YC国家烟草专卖局黑色冶金黑色冶金YB国家冶金工业局有色冶金有色冶金YS国家有色金属工业局石油天然气石油天然气SY国家石油和化学工业局化工化工HG国家石油和化学工业局石油化工石油化工SH国家石油和化学工业局建材建材JC国家建筑材料工业局地质矿产地质矿产DZ国土资源部土地管理土地管理TD国土资源部
21、测绘测绘CH国家测绘局机械机械JB国家机械工业局汽车汽车QC国家机械工业局民用航空民用航空MH中国民航管理总局兵工民品兵工民品WJ国防科工委船舶船舶CB国防科工委航空航空HB国防科工委航天航天QJ国防科工委核工业核工业EJ国防科工委铁路运输铁路运输TB铁道部行业标准名称行业标准名称行业标准代号行业标准代号主管部门主管部门交通交通JT交通部劳动和劳动安全劳动和劳动安全LD劳动和社会保障部电子电子SJ信息产业部通信通信YD信息产业部广播电影电视广播电影电视GY国家广播电影电视总局电力电力DL国家经贸委金融金融JR中国人民银行海洋海洋HY国家海洋局档案档案DA国家档案局商检商检SN国家出入境检验检疫
22、局文化文化WH文化部体育体育TY国家体育总局商业商业SB国家国内贸易局物资管理物资管理WB国家国内贸易局环境保护环境保护HJ国家环境保护总局稀土稀土XB国家计发委稀土办公室城镇建设城镇建设CJ建设部建筑工业建筑工业JG建设部新闻出版新闻出版CY国家新闻出版署煤炭煤炭MT国家煤炭工业局卫生卫生WS卫生部公共安全公共安全GA公安部包装包装BB中国包装工业总公司地震地震DB国家地震局旅游旅游LB国家旅游局气象气象QX中国气象局外经贸外经贸WM对外经济贸易合作部海关海关HS海关总署邮政邮政YZ国家邮政局6.3表面积测定表面积测定1. 1. 比表面积测试标准比表面积测试标准2 2. . 实验实验方法方法
23、吸附等温线的吸附等温线的测定测定u静态法：容量法、重量法静态法：容量法、重量法u动态法：常压流动法、色谱法动态法：常压流动法、色谱法6.3 表面积测定表面积测定6.3 表面积测定表面积测定v 静静态态容容量量法法：6.3 表面积测定表面积测定Micromeritics ASAP 2020Micromeritics ASAP 2020v抽真空加热脱抽真空加热脱气气v样品预处理样品预处理v上升上升v液氮液氮杯杯v控制压力控制压力v得到所需分压得到所需分压点点v吸吸附附v检测被检测被吸附气体吸附气体量量v测测试结试结束束v多点测多点测试试u被被吸附气体吸附气体量量 = =充入充入样品管自由体样品管自
24、由体积积内气体量内气体量- -吸附平衡后剩余气体量吸附平衡后剩余气体量u样品管自由体积样品管自由体积：样品管内未被样品占领的体积，也称：样品管内未被样品占领的体积，也称死体积死体积。v 静态容量法静态容量法：3.3.吸附量测试时须注意的问题吸附量测试时须注意的问题（1 1）系统）系统的的检漏检漏（2 2）样品）样品的的预处理预处理（3 3）液氮浴）液氮浴温度温度（4 4）样品）样品量量（5 5）平衡时间）平衡时间（6 6）吸附质的选择）吸附质的选择6.3 表面积测定表面积测定4.4.比表面积求算时须注意的问题比表面积求算时须注意的问题（1 1）多点）多点BETBET法法6.3表面积测定表面积测
25、定u至少使用至少使用5 5个数据点，以保个数据点，以保证证数据的可靠性；数据的可靠性；u不要使用不要使用过过高或高或过过低的低的p p/ /p p0 0。u得到通得到通过过原点的直原点的直线线，其斜率，其斜率为为1/1/V Vm m;4.4.比表面积求算时须注意的问题比表面积求算时须注意的问题（2 2）单点）单点BETBET法法上式也可改写上式也可改写为为：6.3表面积测定表面积测定二二常常数数BETBET公公式式中中C C值值较较大大时时( (5050) )，BETBET直直线线形形式式可可简简化化为为： u利用利用一个点一个点的的V V与与p p即可即可计计算出算出V Vm m，求算出，求
26、算出S S。3. 3. 比表面积的求算比表面积的求算（2 2）单点）单点BETBET法法6.3表面积测定表面积测定u在大多数表面上，在大多数表面上，p p/ /p p0 0 =0.3=0.3时测时测定吸附量，采用定吸附量，采用单单点法点法求算得到的表面求算得到的表面积积与多点与多点BETBET法的法的误误差差5%5%。uS S B Brunauer, PH runauer, PH E Emmett, E mmett, E T Teller. J Am Chem Soc, eller. J Am Chem Soc, 1938, 60 (2): 309-319.1938, 60 (2): 309-319. 在在ISI Web of ScienceISI Web of Science上查被引次数上查被引次数； 下载下载1 1篇篇最新引文，阅读有关最新引文，阅读有关BETBET比表面积测试与分析部比表面积测试与分析部分。分。作业作业5. BET5. BET公式中常数公式中常数C C的影响的影响6.3表面积测定表面积测定
