[發(fā)明專利]使用流動(dòng)氣體對(duì)多孔固體和粉末材料進(jìn)行表面表征的系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)體積方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201980030276.5
• 申請(qǐng)日: 2019-02-12
• 公開（公告）號(hào): CN112074341B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 米羅斯拉夫·佩齊諾維奇;杰弗里·泰勒·博迪庫姆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 堀場儀器株式會(huì)社
• 主分類號(hào): B01J10/00
• 分類號(hào): B01J10/00;B28B11/24;C04B28/18
• 代理公司: 北京銀龍知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11243
• 代理人: 鐘海勝;宋琴芝

使用流動(dòng)氣體對(duì)多孔固體或粉末樣品進(jìn)行表面表征的系統(tǒng)和方法包括：質(zhì)量流量控制器，其配置為遞送可控制質(zhì)量流量的載氣和吸附氣，以改變流經(jīng)至少一個(gè)容納樣品池的測量通道的吸附氣的濃度。樣品池下游的濃度檢測器向控制器提供指示吸附氣濃度的信號(hào)，該控制器確定吸附和/或解吸附的吸附氣的量，以表征該樣品材料的表面積、孔體積、孔體積分布等。該檢測器可包括：殼體、熱交換器、熱導(dǎo)檢測器和溫度調(diào)節(jié)器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及使用流動(dòng)氣體對(duì)多孔固體和粉末材料進(jìn)行表面表征(表面積、孔體積、孔體積分布等)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

基于吸附氣在樣品材料上的氣體吸附，有多種不同的方法和技術(shù)可用于表征材料的暴露表面。在這些測量中，將已知量的樣品材料冷卻，并且根據(jù)氣體 (分壓)確定吸附冷表面上的吸附氣的量，以建立與樣品相關(guān)的等溫線。吸附氣的量和等溫線的形狀是樣品的表面積和孔隙率的函數(shù)。因此，等溫線可用于表征材料表面。

表征這些樣品的最突出的裝置是使用靜態(tài)體積技術(shù)。盡管本公開針對(duì)使用流動(dòng)氣體混合物而非靜態(tài)體積技術(shù)的用于表面表征的系統(tǒng)和方法，但是靜態(tài)體積技術(shù)的概述可能有助于更好地理解本文更詳細(xì)描述的流動(dòng)氣體混合物技術(shù)。

當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的用于多孔和粉末材料的表面表征(吸附和/或解吸附等溫線測定)的靜態(tài)體積物理吸附/化學(xué)吸附測量方法分別向樣品池(其容納定量的樣品材料)中添加并且從樣品池中去除已知量的吸附氣。調(diào)節(jié)添加/去除的氣體量，以確保樣品池達(dá)到目標(biāo)氣體壓力。等溫曲線是通過繪制添加/去除的氣體量關(guān)于氣壓的變化而得出的。

由于靜態(tài)體積技術(shù)依賴于吸附氣的純度，因此這種方法需要能夠在開始測量之前在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生壓力小于或等于10^-9托的超高真空(UHV)的測量儀器。某些現(xiàn)有技術(shù)的儀器能夠產(chǎn)生10^-11托的真空度。這種UHV增加了設(shè)備的復(fù)雜性，使其易于泄漏、難以操作且維護(hù)成本高。在大多數(shù)情況下，特別是由于UHV系統(tǒng)的復(fù)雜性(例如，多級(jí)泵和極高的清潔度要求)，這些系統(tǒng)需要專業(yè)知識(shí)才能操作，并且測量過程非常耗時(shí)。

在流動(dòng)氣體技術(shù)中，允許氣體混合物流過樣品或流經(jīng)樣品。通常而言，這種混合物具有兩種氣體：吸附氣(如氮?dú)饣驓鍤?和載氣(如氦氣或氫氣)。載氣不與樣品或吸附氣相互作用，但會(huì)增加總氣體壓力。

在靜態(tài)體積技術(shù)中，吸附氣壓力用作等溫線的x軸。在流動(dòng)氣體技術(shù)中，吸附氣分壓等于靜態(tài)體積技術(shù)中的吸附氣壓。注意，如果不滿足理想氣體定律 (例如，如果總氣體壓力超過五個(gè)大氣壓)，則可以建立其他關(guān)系以使測量等效。吸附氣分壓是通過改變混合物中吸附氣的相對(duì)量來改變的。隨著樣品吸附并解吸附氣體，樣品下游的氣體濃度分別減小和增大。通常使用熱導(dǎo)檢測器 (TCD)來監(jiān)控這種氣體濃度的變化。對(duì)濃度隨時(shí)間變化的結(jié)果進(jìn)行積分，以得出被吸附和被解吸附的氣體質(zhì)量，并且得出該信息用于構(gòu)建相關(guān)的等溫線。

當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的使用流動(dòng)氣體技術(shù)的方法是相對(duì)的方法。相對(duì)的方法通過將由被測量樣品材料吸附/解吸附的吸附氣產(chǎn)生的信號(hào)與在測量步驟之前或之后引入到系統(tǒng)中的已知量的吸附氣產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比較來確定吸附物的量。因?yàn)闆]有將氣體混合物的濃度和流速與樣品吸附/解吸附的吸附氣的量直接相關(guān)的計(jì)算，所以當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的使用流動(dòng)氣體技術(shù)和熱導(dǎo)檢測器的方法和設(shè)備通常被認(rèn)為不如現(xiàn)有技術(shù)的靜態(tài)體積技術(shù)，因此靜態(tài)體積技術(shù)已成為工業(yè)和研究活動(dòng)的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。

流動(dòng)氣體技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠通過控制氣體混合物濃度來控制吸附氣的分壓。基于道爾頓定律，氣體混合物的總壓等于混合物組分的分壓之和。如果混合物的組分處于相同溫度，則每種組分的分壓直接由混合物中該組分的體積濃度來確定。

盡管流動(dòng)氣體系統(tǒng)可以在任何壓力下運(yùn)行，但大氣壓通常是最方便的選擇，部分原因是出于成本考慮。這樣，流動(dòng)氣體系統(tǒng)通常在測量池下游向大氣開放，而總系統(tǒng)壓力接近大氣壓力(通常在約5毫巴內(nèi))。因此，與UHV靜態(tài)體積系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)不易泄漏，并且通常具有顯著更低的初始成本和運(yùn)營成本。流動(dòng)氣體系統(tǒng)相對(duì)于靜態(tài)體積系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是更快的測量獲得，因?yàn)榭梢詫悠分苯訋У侥繕?biāo)(部分)氣體壓力。