Povrchová analýza

Mnoho připravených materiálů nachází využití díky svému aktivnímu povrchu, tzn. díky přítomnosti pórů na povrchu částic. Příkladem využití mohou být různé adsorbenty, katalyzátory, apod. Charakterizací povrchu materiálů se zabývá povrchová analýza. Jde opět o množinu mnoha metod, my se budeme zabývat pouze metodami založenými na adsorpci plynu na povrchu materiálu – plynovou porozimetrií.

Plynová porozimetrie je vhodná pro póry o průměru 3,5-4 000 Å. Podle typu interakce, kterou je plyn vázán k povrchu vzorku rozlišujeme fyzisorpci a chemisorpci. V případě fyzisorpce je interakce založena na fyzikálních silách (převážně van der Waalsovy síly) a je relativně slabá. V případě chemisorpce dochází k navázání měřícího plynu na vhodné reaktivní centrum na povrchu vzorku a tím dochází ke změně chemického stavu vzorku i plynu. Dále se budeme věnovat pouze fyzisorpci.

Síly držící plyn na povrchu vzorku jsou relativně slabé, proto měření probíhá za nízké teploty (nejčastěji se měří při teplotě varu měřícího plynu), která zvyšuje množství adsorbovaného plynu a také umožňuje kapilární kondenzaci měřícího plynu v pórech. Základem měření adsorpce plynů na povrchu pevných látek je stanovení adsorpční isotermy tj. závislosti adsorbovaného množství plynu na rovnovážném tlaku. Nejprve je vzorek zbaven povrchových kontaminací zahříváním ve vakuu. Po vyčistění povrchu a ustálení teploty jsou postupně k měřené látce přidávány malé dávky plynu. Měří se množství plynu, které se adsorbuje na povrchu. Při vytvoření molekulární monovrstvy lze podle BET teorie vypočítat měrný povrch ze znalosti plochy, kterou zaujímá jedna molekula, a z počtu adsorbovaných molekul. Další adsorpce vede k tvorbě multivrstev a z adsorpční izotermy lze např. metodou BJH určit distribuci velikostí pórů. Po úplném zaplnění póru lze ze znalosti hustoty adsorbátu vypočítat celkový objem pórů. Vyhodnocením hystereze na záznamu adsorpční a desorpční části izotermy můžeme určit tvar pórů.

poro1

Obr. 1. Adsorpční (modrá) a desorpční izoterma

Pro běžné stanovení aktivního povrchu není nutné měřit celou adsrpčně-desorpční izotermu, ale stačí využít tzv. BET metodu. Tato metoda stanoví povrch vzorku z bodů naměřený v intervalu tlaků 0,05-0,3 atm. Vychází z několika předpokladů, které nejsou ve skutečnosti splněny, nicméně představují velmi užitečnou aproximaci:

a) plochý povrch adsorbentu
b) všechna adsorpční místa jsou energeticky ekvivalentní = homogenní
c) neexistují vzájemné interakce mezi adsorbovanými molekulami
d) adsorpční energie je pro všechny molekuly vyjma první vrstvy rovna energii zkapalnění adsorbátu
e) neomezený počet adsorpčních vrstev, nekonečný při nasyceném tlaku
f) rychlost desorpce molekul v určité vrstvě je rovna rychlosti kondenzace ve vrstvě o jednu níže

poro2

Obr. 2. BET křivka

2 thoughts on “Povrchová analýza

  1. Pingback: Nový mikroporézní materiál schopný zachycovat oxid uhličitý i v přítomnosti vody | Blog a web o chemii, elektronice a programování

  2. Pingback: Nový pohled na vznik MOFů – Blog a web o chemii, elektronice a programování

Napsat komentář