空气吸附法测比表面

【实验目的】

掌握用空气吸附法测定催化剂的比表面的方法

【实验原理】

比表面是表征催化剂性能的重要参数。比表面是单位质量催化剂所具有的表面积。比表面积的测定有很多方法，如气体吸附法，X射线小角度衍射法等。不同的样品采用不同的方法。用吸附法时，如果是非孔性样品，则从所得到的Ⅱ型等温线计算比表面；如果是孔性样品，若固体具有孔径大小在中等范围的细孔，将从得到的Ⅳ型等温线计算比表面。这些方法依据的都是物理吸附，所以得到的是总表面积。

一般来讲，催化剂表面积越大，所含的活性中心越多，因而催化剂活性越高。实际上只是总表面积的一部分才有活性，这部分叫活性表面。选择性化学吸附可以测定活性表面的面积。如负载型金属催化剂，其暴露的金属表面是催化活性的。以CO、H2为吸附质进行选择性化学吸附，即可测定活性金属表面积。

本实验用空气吸附法测定催化剂的总表面积。

在液氮温度下，空气在催化剂表面吸附，其吸附量随催化剂比表面积的增加而增加，在一定的吸附空间下，催化剂吸附空气后所产生的压差△p和比表面积Sg有如下关系：

  （12－1）

式中：催化剂质量

：和设备有关的比例常数

图12－1实验装置图

1.汞压力计；2.样品管；3.活性炭贮瓶；4.三通活塞

如用液氮冷却装有催化剂的样品管时，由于玻璃表面也产生吸附，故吸附前后系统压力的变化为催化剂和玻璃表面吸附的总结果，以玻璃表面产生的压差记为，则催化剂表面吸附所造成的压差有如下关系：

（12－2）

而和，在很宽的压力范围内随吸附平衡压力的增加而直线增加。即

  （12－3）

  （12－4）

式中p：有样品时所测吸附平衡压力；

：空瓶吸附平衡压力；

、、、：和仪器及实验条件有关的常数。

由公式（12－3）、（12－4）得

  （12－5）

因、与吸附表面积有关，故令

  （12－6）

 （12－7）

此时所得、即为与表面无关的常数了。

  （12－8）

  （12－9）

即欲求、需分别将样品瓶和装有一定量已知比表面标准样品在不同的吸附压力和下读取所对应和，以对做图得、、以对做图得、，代入、得到具体数值。

将一定量待测样品在吸附压力下得到吸附时的压力变化，计算得

【实验用品】

汞压力计，样品管，活性炭贮瓶，三通活塞，

催化剂已知样品，待测样品。

【实验步骤】

1．测定样品瓶  、 

将样品瓶套入装置（见图12－1），检查各活塞有无漏气。然后将体系与活性炭贮瓶3相通，用液氮冷却活性炭贮瓶3。此时在液氮温度下，样品瓶及体系中的空气被活性炭所吸附，内部压力开始下降。当吸附达到一定的真空度时，关闭活塞4，保持一定的真空度并将活性炭贮瓶通向大气，将液氮贮瓶取下。如U型管压力计的液面稳定，则体系不漏气。读取汞柱差，此值即为系统前平衡压力。然后用液氮冷却样品管。由于玻璃吸附使系统压力下降，平衡后所显示汞柱差记为 。液氮温度吸附前后产生的压差：，即得到对应平衡压力下的一组数据。移走液氮待压力回到时，转动活塞4使部分空气进入系统以改变系统平衡压力。重复以上操作。如此有几组数据，用对做图即得、。

2．测定已知比表面催化剂和样品瓶的、

准确称取已知比表面积的催化剂约0.1g置于样品管内，重复步骤1的实验，测得几组数据，用对做图即得、。由步骤1和2所得数据用公式（12－6）、（12－7）计算、值。

3．未知样测定

称取未知样约0.1g置于样品瓶内，先用液氮使体系达到一定的真空度后移走液氮，调节系统一定压力，读取压力然后用液氮冷却样品瓶，平衡后读吸附后压力，其差值即为未知样的，代入公式（12－9）中即可求取比表面，其单位与标准样相同。

【数据处理】

1．测量空样品瓶（无样品）求取、

表12－1空样品瓶的与的关系

取后四组数据作图，由图可知：

a’=-40.152，  b’=-0.0559

2．测量标准样品（样品瓶+标准样）求取、

表12－2标准样品与样品瓶的与的关系

测量标准样品与样品瓶的数据列入表12－2中。

以为纵坐标，为横坐标做图，直线截距为、斜率为。

依据公式（12－6）、（12－7）计算仪器常数、

取后四组数据作图，由图可知：

取后四组数据作图，由图可知：

a=-232.48,  b=-232.48-0.2435

A=(a-a’)/(m*Sg)=(-232.48+40.152)/(0.1010*479)=-3.98m-2    

B=(b-b’)/(m*Sg)=(-0.2435+0.0559)/(0.1010*479)=-0.0039m-2

3.未知样的测定

未知样质量＝0.1143g

吸附前压力＝-437.3 mmHg

吸附后压力＝-510.9 mmHg

△p=p-p0=-73.6 mmHg    =-11.59 mmHg   

=(-73.6 +11.59)/0.1143*(-3.98+0.0039*510.9)=273.0㎡/g

：对应于相同平衡压力下样品瓶所产生压差。

【思考题】

1 ．仪器常数 A 、 B 对固定装置而言与什么有关？

答：温度，装置内壁的光滑程度（决定吸附能力），装置与空气接触的面积等

2 ．为什么所取吸附压力范围有所？

答：气体的吸附等温曲线不是直线，只在一部分是平台曲，呈直线即既能完全吸附又不发生凝聚，对于空气是400~600mmHg范围内。

3 ．要得到准确的比表面测量值，与那些因素有关？

答： 仪器密闭性良好。

液氮冷却的时间和浸过玻璃仪器的液面的高度

控制吸附发生在直性吸附的压力范围内。

测定每一组数据时，要保证冷却时间足够，且时间一致。

维持室温稳定，标准样和未知样测试前尽量不要吸附空气