Введение
Теория физической адсорбции молекул газа на твердой поверхности. Теория Брунауэра–Эмметта–Теллера (BET) направлена на объяснение физической адсорбции молекул газа на твердой поверхности и является основой важного метода анализа для измерения удельной площади поверхности материалов. Эти явления часто называют физической адсорбцией или физисорбцией. В 1938 году Стивен Брунауэр, Пол Хью Эммет и Эдвард Теллер опубликовали свою теорию в журнале Американского химического общества. Теория BET применима к системам многослойной адсорбции и обычно использует зондирующий газ (называемый адсорбатом), который не вступает в химическую реакцию с адсорбентом (материалом, на котором происходит адсорбция газа), для количественного определения удельной площади поверхности. Азот является наиболее часто используемым газообразным адсорбатом для определения площади поверхности. Поэтому стандартный анализ BET чаще всего проводят при температуре кипения N2 (77 K). Другие зондирующие адсорбаты также используются, хотя и реже, что позволяет измерять площадь поверхности при различных температурах и в разных масштабах. К ним относятся аргон, углекислый газ и вода. Удельная площадь поверхности – величина, зависящая от масштаба, и не имеет единственного истинного значения. Следовательно, значения удельной площади поверхности, определяемые с помощью теории BET, могут зависеть от используемой молекулы адсорбата и ее сечения адсорбции.
Brunauer–Emmett–Teller (BET) theory aims to explain the physical adsorption of gas molecules on a solid surface and serves as the basis for an important analysis technique for the measurement of the specific surface area of materials. The observations are very often referred to as physical adsorption or physisorption. In 1938, Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett, and Edward Teller presented their theory in the Journal of the American Chemical Society. BET theory applies to systems of multilayer adsorption that usually utilizes a probing gas (called the adsorbate) that does not react chemically with the adsorptive (the material upon which the gas attaches to) to quantify specific surface area. Nitrogen is the most commonly employed gaseous adsorbate for probing surface(s). For this reason, standard BET analysis is most often conducted at the boiling temperature of N2 (77 K). Other probing adsorbates are also utilized, albeit less often, allowing the measurement of surface area at different temperatures and measurement scales. These include argon, carbon dioxide, and water. Specific surface area is a scale dependent property, with no single true value of specific surface area definable, and thus quantities of specific surface area determined through BET theory may depend on the adsorbate molecule utilized and its adsorption cross section.
Ограничения BET
Террелл Л. Хилл описал BET как теорию, "чрезвычайно полезную в качестве качественного ориентира, но не количественно точную". Хотя адсорбционная изотерма BET до сих пор широко применяется в различных областях и используется для определения удельной площади поверхности порошков, расчет которой нечувствителен к упрощениям теории BET. Группа Синга подчеркнула ограничения метода BET. Хакерман и др. отметили возможность погрешности в 10% в значениях, получаемых этим методом, и в некоторых случаях константа C (энергия адсорбции на поверхности) может оказаться отрицательной.
Цемент и бетон
Скорость твердения бетона зависит от тонкости помола цемента и компонентов, используемых при его производстве, которые могут включать в себя летучую золу, микрокремнезем и другие материалы, помимо обжиженного известняка, вызывающего его затвердевание. Хотя метод воздухопроницаемости Блейна часто предпочтительнее из-за его простоты и низкой стоимости, также применяется азотный метод БЭТ. При твердении гидратированного цемента гидрат силиката кальция (или CSH), ответственный за реакцию твердения, обладает большой удельной поверхностью из-за высокой пористости. Эта пористость связана с рядом важных свойств материала, включая прочность и проницаемость, которые, в свою очередь, влияют на свойства получаемого бетона. Измерение удельной поверхности методом БЭТ полезно для сравнения различных цементов. Это может быть выполнено с использованием адсорбционных изотерм, измеренных различными способами, включая адсорбцию водяного пара при температуре, близкой к комнатной, и адсорбцию азота при 77 К (температура кипения жидкого азота). Различные методы измерения удельной поверхности цементного теста часто дают существенно различающиеся значения, однако для одного метода результаты все равно полезны для сравнения различных цементов.
Активированный уголь
Активированный уголь обладает сильным сродством ко многим газам и имеет сечение адсорбции 0,162 нм² для адсорбции азота при температуре жидкого азота (77 К). Теория БЭТ может быть использована для оценки удельной поверхности активированного угля на основе экспериментальных данных, показывающих большую удельную поверхность, достигающую даже 3000 м²/г. Однако эта удельная поверхность в значительной степени переоценивается из-за усиленной адсорбции в микропорах.
Катализ
В области твердофазного катализа удельная поверхность катализаторов является важным фактором, определяющим каталитическую активность. Неорганические материалы, такие как мезопористый кремнезем и слоистые глинистые минералы, обладают высокой удельной поверхностью в несколько сотен м²/г, определяемой методом БЭТ, что свидетельствует о возможности их применения в качестве эффективных каталитических материалов.
Расчет удельной площади
Стандарт ISO 9277 для расчета удельной поверхности твердых тел основан на методе БЭТ.
Тепловая десорбция
В 2023 году исследователи в США разработали метод определения площади поверхности по методу БЭТ с использованием термогравиметрического анализатора (TGA). Метод заключается в нагреве пористого образца, загруженного адсорбатом, с помощью TGA, а полученный график зависимости массы образца от температуры преобразуется в стандартную изотерму, к которой затем применяется теория БЭТ в обычном порядке. В качестве адсорбатов для метода TGA можно использовать распространенные жидкости, например, воду или толуол, что позволяет изучать специфические взаимодействия различных адсорбатов, которые часто отличаются от взаимодействий с обычно используемым азотом.