吸附应用 | 如何准确表征介孔催化剂载体的孔径？

吸附应用 | 如何准确表征介孔催化剂载体的孔径？

摘要
多相催化剂由于其在合成过程中的普遍使用而产生的表现，成为了许多行业不可或缺的一部分。这些催化剂需要具有机械稳定性的载体，以防止金属或活性点位的移动，这也使它们能够反复使用。因此，介孔材料是很好的选择。根据ASTM D4222标准，通过使用安东帕Nova气体吸附分析仪对比表面积、孔径、孔体积等相关性能的测试，可以确定这些特性并针对每一个行业的应用更进一步定制。

1 简介
由于在以下方面做出了贡献，多相催化剂在工业生产中有显著的作用：
▪ 化学品的大规模的合成和生产
▪ 改善生产质量及效率
很多催化剂，尤其是金属和金属纳米粒子催化剂，都使用了介孔固体载体（孔径在2~50nm）减少或避免金属流失，这使得其可回收和再利用。这使催化剂生产可以实现更高产量和更低的成本，受到了厂商的追捧。另外，载体增加了金属/活性比表面积并稳定了活性物质。
使用的催化剂必须选择合适的介孔载体作为补充。如果使用了不当的载体，会得到适得其反的结果及更低的产量。当与特定催化剂金属使用时，BET比表面积、孔径和孔体积等参数都会影响介孔载体的效果。
催化剂以及介孔催化剂都必须以相同的方式被表征以更进一步的开发和提升效率。这些材料参数及特征的测定有助于确定催化剂在载体中嵌入的程度、使用载体的催化剂的回收次数以及在催化剂表面发生的化学反应的速度。
作为现代产业及研究中关键的一角，催化剂载体的性能分析必须使用适当且极具精确度、准确度的仪器。安东帕Nova气体吸附分析仪是分析此类材料绝佳的选择，因为它可以快速且准确的测定所有相关参数。可同时进行四个样品的分析处理，对需要高效率表征催化剂的用户及研究者来说是理想的选择。根据ASTM D4222标准，分析介孔催化剂载体（如二氧化硅、氧化铝或二样化钛等等）推荐使用静态体积法物理吸附技术。Nova严格遵照这一标准，催化剂研究者可以对此充满信心，因为它有效且高效地提供了物理性质的精确测量，如BET表面积及介孔体积的测量。

2 测量
通过完整测量介孔载体吸/脱附等温线，可以测定各种物理性能，如BET比表面积、孔径及总孔体积。本报告的所有测量均通过安东帕Nova 800 气体吸附分析仪进行分析的。下面研究了三种介孔载体，各一：
▪ 二氧化硅（MS-1）
▪ 氧化铝（MS-2）
▪ 二氧化钛 （MS-3）
根据ASTM D4222 标准，样品在测试之前，需在内置的的脱气站中300℃真空脱气3 小时。要求在P/P0=0.05~0.995 范围内获取40 个吸附点及40 个脱附点（ASTM 规定每个阶段至少30 个）。其他实验参数如表1 所示：

表1：分析介孔催化剂载体的推荐分析参数

为了方便使用，该分析文件会以ASTM D4222 为标准，预置在每一台Nova 仪器上。

3 结果及讨论
三种催化剂载体样品的N2 等温线（77K）如图1 所示。

ASTM D4222 规定了BET 比表面积及总孔体积的算法：
BET 比表面积将在P/P0=0.05~0.3 范围内取值计算。（表2）
由于所有三种载体在较高的P/P0 范围内呈现平台，可以根据Gurvich 方法在这个区域中计算出总孔体积。（表2）
样品的孔径分布结果也可以选择合适的NLDFT 方法所测的等温线中得到，该方法基于二氧化硅（氧化物）圆柱形孔应用于吸附支。孔径分布结果如图2 所示：

图1 介孔催化剂催化剂载体N2（77K）等温线

表2 根据ASTM D4222 BET 等温线（N2 77K）计
算的比表面积及总孔体积

图2 N2（77K）吸附等温线计算的NLDFT 孔径分布

这三种介孔催化剂载体具有不同的比表面积和孔体积，具有一定代表性。由于比表面积和孔体积均能影响金属离子如何在载体上和载体内附着和分散，研究者能够据此选择不同结构特性的载体以优化其催化过程的载体。这三种材料的孔径分布约为5~15nm。在图2 中可以看到，MS-1 具有较窄的孔径分布，而MS-2 及MS-3 的分布径较宽。孔径也可以影响金属在催化剂内的分散，另外还会影响试剂是否能接触到多孔结构内的金属。

4 结论
诸如BET比表面积、孔径和总孔体积等重要信息，对于希望优化催化剂生产及质量控制的研究者来说是非常关键的。本报告中，根据ASTM D42222标准，证明了安东帕Nova在测定这些介孔催化剂载体的相关结构参数的有效性。

5 参考文献
编者：安东帕应用团队