無論是測試固體材料比表面積、孔徑分布及孔容的物理吸附表征,還是測試催化劑活性及選擇性等催化性能的化學吸附表征,均為吸附過程,本文將簡單介紹一下吸附概念。
吸附概念
吸附(adsorption)是指在固相-氣相、固相-液相、固相-固相、液相-氣相、液相-液相等體系中,某個相的物質密度或溶于該相中的溶質濃度在界面上發(fā)生改變(與本體相不同)的現(xiàn)象。對于固體表面,當氣體(蒸汽)與固體接觸時,部分氣體將被固體捕獲,若氣體體積恒定,則壓力下降,若壓力恒定,則氣體體積減小。從氣相中消失的氣體分子或進入固體內部,或附著于固體表面,前者被稱為吸收(absorption),后者被稱為吸附(adsorption)。吸附和吸收統(tǒng)稱為吸著(sorption)。多孔固體因毛細凝聚(capillary condensation)而引起的吸著作用也作為吸附作用看待。吸附某些組分的固體物質稱為吸附劑(adsorbent)。被吸附的物質稱為吸附物(adsorptive),已被吸附的物質稱為吸附質(adsorbate)。有時吸附質和吸附物可能是不同的物質,如發(fā)生解離化學吸附時。
吸附量與氣相或液相溶質濃度和溫度有關,是吸附劑的基本性質。在溫度一定時,吸附量與壓力(氣相)或者濃度(液相)的關系稱為吸附等溫線(adsorption isotherm),吸附等溫線是表示吸附性能方法,吸附等溫線的形狀能很好地反映吸附劑和吸附質的物理、化學相互作用。在壓力一定時,吸附量與溫度的關系稱為等壓線(adsorption isobar)。吸附量一定時,壓力與溫度的關系稱為吸附等量線(adsorption isostere)。
固體表面吸附
固體表面的吸附特性取決于其表面和吸附質的特性及其相互作用,首先是固體的表面特性。一方面,固體具有剛性和抵抗應力性,其表面原子活動性極小,這決定了其表面幾乎不可能處于平衡和等勢能狀態(tài)。因此,固體的表面性質取決于它的形成條件和貯存狀態(tài)。因此研究固體表面的吸附行為,一定要先了解表面的“歷史"(處理條件、表面反應和潛在的污染等),并與實際的實驗結果一并分析。
另一方面,一個新生成的、潔凈的固體表面通常具有非常高的表面自由能。固體無法通過表面塑性流動減小其總界面來降低表面自由能,因而固體表面趨于吸附氣體,改變其表面原子的受力不平衡,降低表面自由能。固體表面勢能的不均勻性決定了吸附將不是一個均勻的過程。
物理吸附和化學吸附
固氣表面上存在物理吸附和化學吸附兩類吸附現(xiàn)象。二者之間的本質區(qū)別是氣體分子與固體表面之間作用力的性質。
物理吸附(physisorption)是由范德華力(van der Waals 力),包括偶極-偶極(Keesome)相互作用、偶極-誘導偶極(Debye)相互作用和色散(London)相互作用等物理力引起,它的性質類似于蒸汽的凝聚和氣體的液化。
化學吸附(chemisorption)涉及化學成鍵,吸附質分子與吸附劑之間有電子的交換、轉移或共有。
物理吸附提供了測定固體材料表面積、孔徑分布及孔體積的方法。而化學吸附一般是表征多相催化過程關鍵的中間步驟?;瘜W吸附物種的鑒定及其性質的研究也是多相催化機理研究的主要內容。另外,化學吸附還能作為測定某一特定催化劑組分(如金屬)表面積的技術。
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