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吸附知识概要

发布时间:2022-01-25      点击次数:699

无论是测试固体材料比表面积、孔径分布及孔容的物理吸附表征,还是测试催化剂活性及选择性等催化性能的化学吸附表征,均为吸附过程,本文将简单介绍一下吸附概念。


01

吸附概念



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吸附(adsorption)是指在固相-气相、固相-液相、固相-固相、液相-气相、液相-液相等体系中,某个相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在界面上发生改变(与本体相不同)的现象。对于固体表面,当气体(蒸汽)与固体接触时,部分气体将被固体捕获,若气体体积恒定,则压力下降,若压力恒定,则气体体积减小。从气相中消失的气体分子或进入固体内部,或附着于固体表面,前者被称为吸收(absorption),后者被称为吸附(adsorption)。吸附和吸收统称为吸着(sorption)。多孔固体因毛细凝聚(capillary condensation)而引起的吸着作用也作为吸附作用看待。吸附某些组分的固体物质称为吸附剂(adsorbent)。被吸附的物质称为吸附物(adsorptive),已被吸附的物质称为吸附质(adsorbate)。有时吸附质和吸附物可能是不同的物质,如发生解离化学吸附时。

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吸附量与气相或液相溶质浓度和温度有关,是吸附剂的基本性质。在温度一定时,吸附量与压力(气相)或者浓度(液相)的关系称为吸附等温线(adsorption isotherm),吸附等温线是表示吸附性能方法,吸附等温线的形状能很好地反映吸附剂和吸附质的物理、化学相互作用。在压力一定时,吸附量与温度的关系称为等压线(adsorption isobar)。吸附量一定时,压力与温度的关系称为吸附等量线(adsorption isostere)。


02

固体表面吸附



固体表面的吸附特性取决于其表面和吸附质的特性及其相互作用,首先是固体的表面特性。一方面,固体具有刚性和抵抗应力性,其表面原子活动性极小,这决定了其表面几乎不可能处于平衡和等势能状态。因此,固体的表面性质取决于它的形成条件和贮存状态。因此研究固体表面的吸附行为,一定要先了解表面的“历史"(处理条件、表面反应和潜在的污染等),并与实际的实验结果一并分析。

另一方面,一个新生成的、洁净的固体表面通常具有非常高的表面自由能。固体无法通过表面塑性流动减小其总界面来降低表面自由能,因而固体表面趋于吸附气体,改变其表面原子的受力不平衡,降低表面自由能。固体表面势能的不均匀性决定了吸附将不是一个均匀的过程。



03

物理吸附和化学吸附




固气表面上存在物理吸附和化学吸附两类吸附现象。二者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间作用力的性质。

物理吸附(physisorption)是由范德华力(van der Waals 力),包括偶极-偶极(Keesome)相互作用、偶极-诱导偶极(Debye)相互作用和色散(London)相互作用等物理力引起,它的性质类似于蒸汽的凝聚和气体的液化。

化学吸附(chemisorption)涉及化学成键,吸附质分子与吸附剂之间有电子的交换、转移或共有。

物理吸附提供了测定固体材料表面积、孔径分布及孔体积的方法。而化学吸附一般是表征多相催化过程关键的中间步骤。化学吸附物种的鉴定及其性质的研究也是多相催化机理研究的主要内容。另外,化学吸附还能作为测定某一特定催化剂组分(如金属)表面积的技术。




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