物理吸附科普百问（基础篇10-13问）

     工业催化剂或载体作为多孔材料，是具有发达孔系的颗粒集合体。一般情况是一定的原子（分子）或离子按照晶体结构规则组成含有微孔的纳米级晶粒；而因制备化学条件和化学组成的不同，若干晶粒又可聚集为大小不一的微米级颗粒，然后工业成型成更大的团粒或有不同几何外形的颗粒集合体。

     不同的制备方法会生成不同的孔结构。如，高温烧结或挤压成型的多孔固体的孔结构是无规则的；而由胶体在充水的初级结构中沉淀、收缩、老化，会产生特征性的微孔结构（典型例子如水泥和石膏）。 

     沸石和分子筛具有稳定的晶体结构，它内部的孔是由晶体内的孔道、缝隙或笼组成的，具有均匀尺寸和规则的形状。在沸石内部，笼是由直径0.4~1nm的窗口相连。一个笼可以看作是一个球形孔。 

     所以，实际体积中的孔结构都是复杂的，是由不同类型的孔组成的。在分子水平上看，孔的内表面几乎都是不光滑的。但是，我们可以从几个基本类型开始（如图1-2所示），然后建立它们的各种组合。

     最典型的是筒形孔（圆柱孔），它是孔分布计算的一个基础模型。 

     挤压固化但还未烧结的球形或多面体粒子多是锥形孔（楔形孔，棱锥形空隙）。 

     裂隙孔是由粒子间接触或堆砌而形成的空间。这个模型也是溶胀和凝聚现象的计算基础。 

     墨水瓶孔都有孔颈。孔径是较大孔隙的颈口，因此墨水瓶孔也可以看成是球形孔与筒形孔的组合。沸石类的孔隙是稳定的，但被“颈口”所控制，它可以被看作是筒形孔和墨水瓶孔的中间状态。

    按照国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）在 1985 年的定义和分类，孔宽（见图1-3）即孔直径（对筒形孔）或两个相对孔壁间的距离（对裂隙孔）。

    (1) 微孔（micropore）是指内部孔宽小于 2nm的孔。

    (2) 介孔（mesopore）是宽度介于2nm 到 50nm的孔。

    (3) 大孔（macropore）是孔宽大于50nm 的孔。 

    2015年，IUPAC对孔径分类又进行了细分和补充，即：

   (4) 纳米孔（nanopore）：包括微孔、介孔和大孔，但上限仅到100nm。

    (5) 超微孔（ultramicropore）：孔宽小于 0.7nm的较窄微孔。 

    (6) 极微孔（supermicropore）：孔宽大于0.7nm的较宽微孔。

    这些方法包括气体吸附法、压汞法、电子显微镜法（SEM或TEM）、小角X射线散射（SAXS）和小角中子散射（SANS）等。2010 年，美国分散技术公司（DT）和美国康塔仪器公司还联合开发了电声电振法，比利时 Occhio 公司开发了图像法大孔分析技术。总体来说，每种方法在孔径分析方面都有其应用的局限性。 

    纵观各种孔径表征的不同方法，气体吸附法是最普遍的方法，因为其孔径测量范围从 0.35nm到100nm以上，涵盖了全部微孔和介孔，甚至延伸到大孔（即纳米孔）。另外，气体吸附技术相对于其它方法，容易操作，成本较低。如果气体吸附法结合压汞法，则孔径分析范围就可以覆盖从大约 0.35nm到1mm的范围。气体吸附法也是测量所有表面的最佳方法, 包括不规则的表面和开孔内部的面积。

    固体表面的气体与液体有在固体表面自动聚集，以求降低表面能。这种固体表面的气体或液体的浓度高于其本体浓度的现象，称为固体的表面吸附（adsorption）。整个固体表面吸附周围气体分子的过程称为气体吸附。事实证明，监测气体吸附过程能够得到丰富的关于固体特征的有用信息。 

    当吸附物质分子穿透表面层，进入松散固体的结构中，这个过程叫吸收（absorption）。有时，区分吸附和吸收之间的差别是困难的，甚至是不可能的，这样，更方便或更广泛使用的术语吸着（sorption）就包含了吸附和吸收这两种现象，以及由此导出的术语：吸着剂（sorbent），吸着物（sorbate）和吸着物质或吸着性（sorptive）。 

    当吸附（adsorption）用于表示过程时，其对应的逆过程是脱附（解吸，desorption）。在脱附过程中，由于分子热运动，能量大的分子可以挣脱掉束缚力而脱离表面，吸附量逐渐减小。名词“吸附”和“脱附”后来作为形容词，表示用实验测定吸附量的走向研究，即吸附曲线（或点）或脱附曲线（或点）。当吸附曲线和脱附曲线不重合时，会产生吸附回滞（adsorption hysteresis）。