Jahrelang wurde die Charakterisierung der Oberfläche und der Porengrößenverteilung (PSD) poröser Materialien von der Analyse der Adsorptionsisothermen von Stickstoff (N2) dominiert, die bei seinem Siedepunkt (77 K) gemessen wurden. Da N2 leicht verfügbar und nicht teuer ist und routinemäßig in Labors verwendet wird, wird es auch weiterhin das am häufigsten verwendete Adsorbat für die Charakterisierung fester Oberflächen sein.
Der moderne Ansatz zur Charakterisierung der Textur poröser Materialien basiert auf der Verwendung molekularer Modelle wie der Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder Monte-Carlo-Simulationen. Die molekularen Wechselwirkungspotentiale sind für die Entwicklung von Modellen für die PSD-Berechnungen von wesentlicher Bedeutung. Modelle, die auf Inertgasen basieren, eignen sich am besten für die Charakterisierung der Porengröße, da ihre Adsorption am empfindlichsten auf die Festkörpergeometrie wie die Porenbreite und nicht auf spezifische Wechselwirkungen mit chemischen Stellen auf der Oberfläche reagiert. Daher ist Ar besser geeignet als N2, das ein starkes Quadrupolmoment hat, das mit polaren Oberflächenstellen in Wechselwirkung treten und somit die Adsorptionsisotherme beeinflussen kann. Die Bevorzugung von Ar gegenüber N2 für die Oberflächencharakterisierung wurde offiziell im technischen Bericht der IUPAC (2015) empfohlen.
Kohlendioxid (CO2), ein weiteres Gas, das häufig zur Charakterisierung mikroporöser Kohlenstoffe verwendet wird, weist ein noch höheres Quadrupolmoment als N2 auf. In der aktuellen Studie haben wir N2 undCO2 durchO2 undH2 mit viel niedrigeren Quadrupolmomenten ersetzt. Die PSD-Berechnungen wurden mit Molekülmodellen auf der Grundlage der klassischen und quantenkorrigierten zweidimensionalen nichtlokalen Dichtefunktionaltheorie (2D-NLDFT) durchgeführt. Wir haben eine quantitative Übereinstimmung zwischen den PSD-Ergebnissen gezeigt, die aus den bei 77 K gemessenen Adsorptionsisothermen vonO2 und N2 und Ar bei 87 K an mehreren repräsentativen Kohlenstoffproben abgeleitet wurden. Diese Gase können als einzelne Sonden für die PSD-Berechnung verwendet oder mit den entsprechenden Kernen kombiniert werden, um entsprechende Isothermen, die an einer bestimmten Probe gleichzeitig gemessen wurden, anzupassen. Eine solche umfassende Analyse der Adsorptionsdaten liefert solidere Ergebnisse als diejenigen, die aus einer einzelnen Isotherme abgeleitet werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Modelle, die konsistente PSD-Ergebnisse liefern, ist die Möglichkeit der Vorhersage einer Isotherme anhand der anderen, die an derselben Probe gemessen wurden.
