行业应用丨小角 X 射线散射法测定多孔材料的比表面积

安东帕 2024-06-25 | 阅读：913

小角 X 射线散射仪

比表面积是多孔材料的关键参数之一，因此快速可靠的测定，对于开发此类材料以及在生产过程中的质量控制非常重要。在这里，我们展示了如何将小角 X 射线散射（SAXS）作为一种快速可靠的方法来确定介孔可控孔玻璃（CPG）样品的比表面积。所得的 SAXS 结果与物理气体（Ar 87K）吸附所得的比表面积非常一致。

多孔材料的应用非常广泛。其独特的性能，可用于能源储存、建筑材料、催化剂等行业。广泛使用的评估多孔材料表面积的标准方法是基于 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 方法的气体（例如氮气或氩气）吸附分析。然而，这种方法存在一些局限性：

样品制备时间长
测量时间长
仅适用于无孔和介孔/大孔材料
表面积结果的准确性取决于使用正确的吸附剂

小角 X 射线散射 (SAXS) 是广泛应用于表征纳米材料尺寸、形状和更多结构特性方法。

SAXS 具有几个优点：

无需样品制备
一种非破坏性方法
测试时间短

SAXS 确定表面积的理论基础是 Porod 定律，该定律描述了散射强度 I(q) 随着散射矢量 q 的逆四次幂逐渐向大散射角衰减。X 射线束照射的样品体积内的总表面积 S 是一个比例因子：

为了从 SAXS 数据得到比表面积，应用主方程

其中包括确定常数背景项 A 和 Porod 常数 K。

在实际中，用于确定质量比表面积（Sm）或体积比表面积（SV），有以下两种方法：

Invariant (K/Q) method 不变量法
Absolute-scale method 绝对标度法

本研究展示了使用 Anton Paar 的小角 X 射线散射仪 SAXSpoint 5.0 仪器对可控孔玻璃粉末样品的 SAXS 测试。测试的 SAXS 数据根据 ISO 208044 进行处理，以确定比表面积。

实验

使用 Anton Paar 的 SAXSpoint 5.0 SAXS/ WAXS/GISAXS 仪器测试多孔玻璃微珠 (CPG – 可控的微孔玻璃 ERM-FD-121, 从 BAM 获得) 。该仪器配备 Primux 100 微焦斑 X 射线源（Cu Ka 辐射, λ = 0.154 nm) 和 EIGER 2R 1M 探测器，该探测器还用于测量样品的透射率和获得绝对强度。

图1：配备 Primux 100 微焦斑光源的 SAXSpoint 5.0 系统

样品被填充在 Heated/Cooled Sampler 的粉末样品池中。同样条件下测试空样品池以用于背景扣除。

在 25 °C 下进行 SAXS 测试，范围为 0.068 nm^-1 < q < 6.0 nm^-1 。

样品 CPG FD-121 扣除背景后的一维散射曲线（如下图 2 所示）。为了进一步解析数据，在 Porod 区域，如下图灰线所示；数据呈直线衰减，这表明不存在分形。

图 2：可控孔玻璃（CPG FD-121）扣除背景的 1D 散射图

应用了 Invariant method 不变量和 Absolute-scale method 绝对强度两种方法。SAXS 测试得到的结果与使用 Ar (87K) 吸附得到的比表面积结果进行比较，如下表 1 所示。

	CPG FD-121
Specific surface [m² g^-1] （Absolute-scale method）	99.7 ± 0.2
Specific surface [m² g^-1] （Invariant method）	114.8 ± 0.6
Specific surface [m² g^-1] （by Ar (87K) BET）	98.6 ± 0.6

表 1：比表面积结果

用 Absolute-scale method ，SAXS 测定的质量比表面积与气体物理吸附的结果非常吻合。而应用 Invariant method，SAXS 获得的比表面积结果略高，这可能是因为多分散颗粒或粒间孔隙度存在所导致。

结论

通过这项研究，证明了 SAXS 是一种可靠且快速测定纳米多孔材料比表面积的方法。具有以下优点：

SAXS 不需要耗时的样品制备（如脱气），因此也避免了样品的任何变化
每个样品的分析时间通常仅在几分钟内
它独立于外部参数，例如在气体吸附中面临为样品选择合适的吸附气体的挑战

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