【摘要】 大孔材料的结构可以通过扫描电镜来进行观察，SEM可以给出局部的材料信息，也可以通过压汞法（气体吸附法分析孔径范围为0.3-100 nm；压汞法可以测到1 mm孔径大小）孔径统计来了解暴露在表面的孔大小。

BET数据分析的三种材料实例分析

 

一.大孔材料

 

大孔材料的结构可以通过扫描电镜来进行观察，SEM可以给出局部的材料信息，也可以通过压汞法（气体吸附法分析孔径范围为0.3-100 nm；压汞法可以测到1 mm孔径大小）孔径统计来了解暴露在表面的孔大小。

 

图1：玉米秸秆 (a,b,c) 和 750℃煅烧后 (d,e) 的 SEM 图像

 

材料简介：以生玉米秸秆为原材料，进行高温碳化得到大孔碳材料。

 

图2：CSC-x的压汞-挤出等温线(a)和孔径分布(b)

 

采用压汞法和N2吸附法准确评价了不同热解温度下微观结构的变化。

 

如图 2a 所示，所有这些样品在压汞-挤压等温线方面都表现出相似的变化，其中压入量在低压区略有增加，然后在10到1000 psia之间急剧上升，最后在高压区变得稳定。

 

一般来说，外压与孔隙大小成反比，因为大多数固体材料不易被汞润湿，因此总是需要较高的外压才能将汞挤入其孔隙中。

 

因此，这些侵入曲线的特征证实了CSC-x含有丰富的大孔。孔径分析证实这些大孔的最可能分布约为5.0-20.0 μm（图 2b）。

 

对于大孔材料其另一个重要的性质是孔隙度（porosity），其定义为孔隙的体积与材料的总体积的比率，其值在0-1之间（0-100 %），表示材料“空”的程度。

 

其计算方法为：Porosity（Pt）=Pore volume（Vp）/Total volume（Vt），Total volume指的是材料的表观体积。

 

文献中制得的CSC-650、CSC-700、CSC-750 和 CSC-800 的饱和侵入体积（Pore volume）分别为22.81、20.30、15.15和11.14 mL/g。它们对应的孔隙率分别为95.24%、94.59%、92.52%和81.14%。

 

与传统的微孔/介孔碳材料相比，大孔材料的N2吸附量非常差，BET表面积和孔体积分别为13.43 m2/g和0.010 cm3/g、15.08 m2/g和0.011 cm3/g、14.27 m2/g和0.008 cm3/g和25.05 m2/ g和0.011 cm3/g。

 

在碳材料中，微孔对比表面积和孔容的贡献较大。

 

二.微介孔材料

 

微孔的孔径小于2 nm，不同于大孔材料，在SEM图上很难看到微孔的孔结构，氮气吸脱附可以很好的对孔结构进行分析表征，氮气吸脱附可以分析1-100 nm左右的孔结构，在分析0.3-1 nm的超微孔结构时则要选用二氧化碳作为吸附质。

 

这主要是因为，在273K下，二氧化碳的饱和蒸气压非常高（约3.5 MPa），在该温度下气体能够快速扩散到0.4 nm以下的空隙中，从而能探测较小的微孔结构。

 

图1：碳纳米片的SEM和TEM图

 

材料简介：丝瓜作为绿色碳前驱体，通过热解、化学活化和水热处理合成氮和硫共掺杂微介孔碳纳米片（N,S-MMCSs）。

 

图2：N-MMCS、S-MMCS 和 N,S-MMCS 的 N2 吸附/解吸等温线 (c) 和孔径分布 (d)

 

通过N2吸脱附曲线可以看到（图2c），所得碳材料在IUPAC分类中均呈现出明显的I型和IV型等温线组合。

 

换言之，当相对压力P/P0在0.0～0.1之间时，吸头吸附曲线急剧增加，表明存在富微孔结构（I型等温线）。

 

在相对压力 (P/P0) 范围0.4-1内具有可见滞后循环的IV型等温线表明在二维碳片中包含介孔。

 

从氮气解吸数据中获得的相应孔径分布曲线（图2d）进一步证实了N-MMCSs、S-MMCSs和N,S-MMCSs具有分级微/介孔结构，它们都包含两种直径的微孔0.7至2.0 nm和3.0至4.0 nm的小介孔。

 

表1：N-MMCSs，S-MMCSs，和N,S-MMCSs的结构和孔隙度特征

 

 

大的比表面积和分级微/介孔结构不仅可以提供大量的活性吸附位点，而且可以有效地促进离子的快速扩散，以及物质的快速转移。

 

三.多级孔材料

 

微孔可以提供更大的比表面积和孔容，增加活性位点的数量；介孔和大孔可以促进离子的快速扩散，以及物质的快速转移。

 

大孔的结构分析可以借助扫描电镜，定量分析则采用压汞法；介孔和微孔的分析采用氮气吸脱附来分析；超微孔采用二氧化碳吸脱附进行表征。

 

图1：碳纳米片的SEM(a)和TEM图(b)，N2 吸附/解吸等温线和孔径分布(c)

 

材料简介：一种具有优异电吸附速率的微-中-大孔3D石墨烯 (MMM-3DG) 。

 

材料的大孔在扫描电镜下清晰可见（图1a），平均尺寸为20 nm，图 2(b) 揭示了多层石墨烯相互纠缠，并且这些石墨烯层产生了许多开孔。

 

MMM-3DG在IUPAC分类中均呈现出明显的I型和IV型等温线组合，说明存在微孔和介孔结构。从孔径分布图可以看到MMM-3DG具有微孔-介孔-大孔的分级多孔结构。

 

表2：活性炭和MMM-3DG的比表面积和孔结构列表

 

 

 

  • Li J ,  Zhang N ,  Zhao H , et al. Cornstalk-derived macroporous carbon materials with enhanced microwave absorption[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2020:1-11.

  • Chen F ,  Zhang M ,  Ma L , et al. Nitrogen and sulfur codoped micro-mesoporous carbon sheets derived from natural biomass for synergistic removal of chromium(VI): adsorption behavior and computing mechanism[J]. Science of The Total Environment, 2020, 730:138930.

  • Kang J ,  Min J ,  Kim S I , et al. Three-level micro–meso–macroporous three-dimensional graphene for highly fast capacitive deionization - ScienceDirect[J]. Materials Today Energy, 2020, 18:100502.

 

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