理化联科杨正红:粉体比表面积的测定方法与准确性评价(报告)

粉体圈网络课程 2024-12-10 04:56:30

比表面积(SSA)是单位质量物质所具有的总表面积,是粉体工业科研和实验室人员最熟悉的用于表征粉体和多孔材料的关键指标。粉体的比表面积与性能之间的关系主要体现在以下几个方面:

1、表面效应:粉体的比表面积越大,其表面效应越显著。表面效应包括表面活性、表面吸附能力和催化能力等。比表面积大的粉体具有更高的表面能和更多的反应位点,因此在催化、吸附等应用中表现出更强的性能。

2、流动性:粉体的流动性与其粒子的形状、大小、表面状态和密度等因素有关。比表面积大的粉体通常具有更复杂的表面结构,这可能影响其流动性,使其在流动过程中更容易发生团聚或桥接,从而影响流动性能。

3、孔隙率:孔隙率是粉体粒子间空隙和粒子本身孔隙所占体积与粉体体积之比。比表面积大的粉体通常具有更高的孔隙率,这会影响粉体的密度、热导率和机械强度等性质。

4、吸湿性:吸湿性是指固体表面吸附水分的现象。比表面积大的粉体由于其较大的表面面积,更容易吸附水分,这可能影响其储存稳定性和使用性能。

综上可知,在催化剂、吸附剂、药物载体等应用中,比表面积是一个重要参数。比表面积大的粉体在这些应用中表现出更好的性能,因为它们提供了更多的反应位点和吸附位点。另外,随着近年来新能源行业持续升温,资金、人才的涌入加速推动产业科技的深化,开发人员发现比表面积大小与正负极材料的电化学性能也密切相关,相关测定和评估已成为行业范式和必须项目。以下的案例简介便于直观感受和理解比表面积测定之于电池材料的意义。

测定案例(硅碳负极)

硅碳负极作为最重要的硅基负极的材料之一,是指纳米硅与碳材料混合通过降低硅基材料粒径至纳米级别可以拥有更多的空隙,用于缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。在硅碳负极的制备过程中,需要首先制备纳米硅颗粒,最外层由碳做包覆层,形成壳核结构。

CVD工艺制备硅碳负极材料是目前硅碳领域的重要方向,多孔碳,沉积后的硅碳以及碳包覆后的硅碳都需进行准确的比表面和孔径孔容测试,其核心是对孔径分布的精确标定,并且需要在不同样品间区分出极其微小的比表面,孔径及孔容分布差异,从而辅助用户对不同批次的材料进行良好的孔结构评估。

总之,对硅碳负极材料的比表面积测定不仅能够为其电化学性能的提升提供科学依据,还能为材料的设计、合成及应用提供指导,是锂离子电池研究和开发过程中的一个重要环节。

测定要点(难点)

但是,比表面积的准确测定并非易事,它的影响因素包括材料的物理和化学特性、测试条件、选择的计算模型和计算范围等。具体影响比表面积测定一致性的因素有诸多可能:

1、与样品孔结构的复杂程度有关:孔型越简单,结果越容易重现。

2、与测试仪器的类型有关:静态容量法测得结果比动态色谱法测得的结果更加准确——前者测的是吸附数据,后者得到的是脱附数据;若样品中存在不规则的孔,氮分子进入孔内后,脱附时,由于出口很小,就有可能不出来,导致脱附数据失真。

3、与吸附气体种类有关:对于含微孔样品,不同的气体大小不同,在孔道中扩散速度不同,气体分子的极性与孔壁作用的程度不同,都会影响最终计算的准确性。

4、与样品预处理时间有关:以氢氧化镍为例,它的处理时间至少需要8小时,由于其干燥过程容易板结,故处理温度不宜过高(一般90℃),这样就导致处理温度不够,用加长时间来弥补。

5、与预处理的脱气真空度有关:真空度越大,脱气越干净,时间越短。样品表面处理不干净,会造成测试结果偏小。

6、与称样量多少有关:样品量的多少和他自身的比表面的大小有关的,一般比表面越大,称样量越少,反之越多。选择合适的称样量是很有必要的,这其中既要考虑减少称样误差,还要考虑称样量和脱气时间的关系。  

7、与样品的处理温度有关:以氧化铝为例,它的处理温度一般是300℃。若降低其处理温度,容易造成测试结果偏小,且BET测试曲线线性很差。

8、与在吸附曲线上的取点计算范围有关。

……

理化联科(北京)科技发展有限公司的总经理杨正红作为在业内摸爬滚打已有27年之久的“老兵”,对物理吸附仪的研发、生产、应用、市场等有着非常全面的认识和深刻见解。12月26-28日,粉体技术分会将在珠海举办“2024全国粉体检测与表面修饰技术交流会(第八届)”,会上杨正红总经理将带来题为“粉体比表面积的测定方法与准确性评价”的报告,内容从氮吸附法测定比表面积原理,到影响BET比表面积计算因素和误差来源,再到具体样品解决方案和测定技术的最新进展。这份报告干货满满,尤其值得相关领域深入理解比表面积测定的科研人员、工程师、技术专家聆听学习。

报告人简介

杨正红(Jeffrey Yang),现为北京粉体技术协会专家委员,中国颗粒学会第七届理事会高级理事,全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会(SAC/TC168)专家委员,全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会颗粒分技术委员会委员,全国微细气泡技术标准化技术委员会(SAC/TC584)委员,全国纳米技术标准化技术委员会纳米检测分技术委员会(SAC/TC279/SC2)委员,国际标准化组织颗粒表征筛分法以外的粒度分析方法技术委员会(ISO/TC24/SC4)在册专家委员。

珠海粉体检测论坛会务组

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