物理吸附仪如何测定吸附等温线

麦克仪器公司的多款气体物理吸附仪都可进行吸附等温线测试。其中大部分气体物理吸附仪采用的都是静态体积法（测定压力法），该方法主要测定的是系统内部的温度和压力，使用理想气体状态方程计算出样品对气体的吸附量。测试过程中，由歧管注入样品管中的气体量是结合已知的歧管体积和歧管内的压力与温度计算出来的。通过测试注气前后歧管内部的压力和温度，可分别计算出歧管内注气前后的气体量，两者差值即为歧管注入到样品管中的气体量。

进入样品管中的气体一部分会吸附到样品表面，另一部分则保留在气相中。保留在气相中的气体量决定了样品管的压力，可看作气相中的气体浓度。而样品表面和孔隙中吸附的气体则被看作由样品与气体之间物理作用力引起的富集在样品表面上的气体浓度。

为了测定样品对气体的吸附量，即吸附等温线的因变量，首先需要将注入样品管的气体看作两个部分，一部分是保留在气相中的气体量，另一部分则是吸附到样品表面的气体量，通过使用理想气体状态方程可直接算出保留在气相中的气体量。然后使用与吸附质在冷浴温度下的饱和蒸汽压相关的压力函数描述冷浴温度下样品管中温度的微小变化，通过样品管内部不同区间的温度校准计算出样品管的体积。在气体物理吸附中，样品管的体积称为自由空间，自由空间随样品管温度的降低而增加，是冷浴温度的函数。此外，气相中的气体量还需要进行压缩因子或非理想气体行为校准，例如氮气在其沸点77.35K时，每单位大气压中的实际气体量比使用自由空间数据计算的气体量会高出4.3%。

众所周知，注入样品管的气体的量并不等于样品的吸附量。为了计算样品的吸附量，需要精确的知道自由空间的值，包括冷浴温度下的自由空间和室温下的自由空间，在此过程中需要考虑到样品管暴露在杜瓦瓶外的部分。通过使用理想气体状态方程即可分别计算出样品管处于室温和浸没于冷浴中时的自由空间，其中在样品管浸没于冷浴中时需要先对其进行压缩因子校准，才能计算出样品管中气相部分的气体量。根据环境温度的不同，通常将样品管在室温下时测定的自由空间称为热/室温自由空间，在分析温度下时测定的自由空间称为冷/分析自由空间。图1所示的是硅铝催化剂载体的吸附等温线。

图1. 使用3Flex气体吸附仪测得的硅铝催化剂载体的吸附等温线