소개
이산화탄소를 사용하면 미세 다공성 물질을 신속하게 고해상도로 특성화할 수 있습니다. Micromeritics TriStar II 3020은 흡착 가스로CO2를 사용하고 분석 수조로 얼음 수조(273 K)를 사용하여 8시간 이내에 10 옹스트롬 이하의 미세 기공을 특성화하는 데 사용할 수 있습니다.CO2 흡착으로 인한 등온선을 77.3 K에서 N2 흡착 등온선과 비교했습니다. 기공 크기-분포 계산에는 슬릿 기공 탄소에서 질소와 이산화탄소에 대한 밀도 기능 이론(DFT) 모델을 사용했습니다.
극저온에서 기공이 작은 물질에 흡착하는 동안 몇 시간에서 며칠에 이르는 느린 확산(평형화) 속도가 관찰될 수 있습니다. 제한된 기공의 강한 흡착 전위는 질소와 같은 흡착제의 높은 흡착을 초래하며, 이는 1토르 압력 트랜스듀서의 낮은 감도 한계에 도전할 수 있는 매우 낮은 압력에서 미세 기공이 채워지는 것에 해당합니다. 이산화탄소를 사용한 분석은 온도 상승으로 인한 빠른 평형 속도와 훨씬 높은 압력에서의 가스 흡수를 통해 이 두 가지 문제를 모두 해결합니다.
실험적
쉽게 구할 수 있는 두 가지 탄소 시료, Supelco의 Carboxen® 1012와 MAST 합성 탄소 시료가 사용되었습니다. 최대 760토르(상대 압력 0.03)의CO2 분석에 사용된 주요 기기는 Micromeritics TriStar II 3020이었습니다. 최대 7600토르의CO2 등온선을 측정하기 위해 Micromeritics ASAP 2050 고압 흡착 분석기를 사용했고, 77K에서 질소 등온선의 DFT 계산을 사용하여 미세 기공 크기를 확인하기 위해 Micromeritics ASAP 2020을 사용했습니다. 분석에는 뼈 건조 이산화탄소, 정제 질소 및 초고순도 헬륨이 사용되었습니다.
결과 및 토론
그림 1은 카복센 1012와 MAST 합성 탄소의 질소 및 이산화탄소 등온선을 보여줍니다. Carboxen 1012의 질소 흡착은 유형 I 등온선 거동을 보이는 반면, MAST 카본은 유형 IV 등온선 거동을 보입니다. 이산화탄소 흡착에서도 카복센 1012의 가스 흡착이 강화되는 경향이 관찰됩니다. 명확성을 위해 MAST 탄소의 메조 기공과 카복센 1012 탄소의 10~20 옹스트롬 사이의 더 큰 미세 기공은 표시되지 않았습니다.
미세 기공 분포의 해상도는 그림 2에 나와 있습니다. 질소 물리 흡착과 비교할 때, 이산화탄소 흡착의 DFT 계산을 통해 기공 크기 분포의 특징을 훨씬 더 자세히 포착할 수 있으며 7Å 이하의 기공 충전이 관찰됩니다.
그림 3은 최대 760토르까지의 이산화탄소 등온선을 7600토르까지의 측정치와 비교하여 고압과 '저압' 흡착이 일치한다는 것을 보여줍니다.
표 1은 이산화탄소 흡착으로 계산한 표면적과 질소 흡착으로 계산한 표면적을 비교한 것입니다. BET 표면적 계산은 미세 다공성 물질에 대한 일반적인 절차인 물리적으로 의미 있는 결과를 얻기 위해 0.1 상대 압력 이하에서 수행되었습니다.CO2 흡착으로 인한 랭뮤어 표면적은 600-3000 토르의 절대 압력 범위에서 계산되었습니다. 절대 압력 50토르까지 압력을 사용하여 계산한 N2 흡착의 랭뮤어 표면적(표시되지 않음)은 질소 BET 표면적과 6% 이내의 일치도를 보였습니다.
결론
제시된 데이터를 통해 TriStar II 3020과 다른 Micromeritics 물리흡수 기기를 사용하여 탄소 미세 기공의 신속한 고해상도 특성 분석을 얻을 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 273 K에서 이산화탄소 물리흡착 기술을 고압으로 확장하여 Langmuir 및 BET 표면적을 계산할 수 있습니다. 이 연구에서 분석한 두 물질의 경우, 273K에서CO2 흡착으로 계산한 Langmuir 표면적은 77.3K에서 N2 흡착으로 계산한 BET 표면적과 비슷합니다.
