Die Gasadsorption zur Oberflächen- und Porenanalyse bietet Lösungen zur Porencharakterisierung von 0,3 nm bis ca. 500 nm. Die Bestimmung der BET-Oberfläche und weitere Methoden zur Porencharakterisierung sind auf dieser Homepage als separate Methoden beschrieben. Prinzipiell werden bei der Gasadsorption zuerst die kleinsten Poren gefüllt. Mit steigendem Druck bzw. Relativdruck erfolgt sukzessive das Porenfüllen größerer Poren. Auf der Grundlage entsprechender Auswertemodelle erfolgt die Berechnung von Porenvolumina und von Porengrößenverteilungen. Die Vorteile der Gasadsorption liegen darin, Porenanalytik der kleinsten Poren (Mikro- und Mesoporen) durchzuführen.
Zusammenfassung Isothermen- und Hysteresetypen nach IUPAC Technical Report 2015
Die Abbildung verdeutlicht die Einteilung der Isothermen und Hysteresetypen, die sich entsprechend der Oberflächen- und Porenstruktur von unporösen sowie mikro-, meso- und makroporösen Materialien ausbildet. Außer der Bestimmung der BET-Oberfläche werden aus Isothermen oder Isothermenbereichen Porenvolumina (Mikroporen- und Gesamtporenvolumen) sowie Porengrößenverteilungen ermittelt. Traditionelle Auswertemodelle sind z.B. BJH-Methode für Mesoporenverteilungen, Gurvitch-Regel für das Gesamtporenvolumen oder Dubinin-Gleichungen für Mikroporenauswertungen. Zur Verbesserung der Auswertemöglichkeiten sind verschiedene Gruppen weltweit mit der Entwicklung neuer Auswertemodelle beschäftigt. Zu den modernsten zählen die Dichtefunktionaltheorie und die Monte-Carlo-Simulation.
Gegenüber der Quecksilberporosimetrie ergeben sich bei der Gasadsorption Vorteile dadurch, dass nicht mit Quecksilber gearbeitet werden muss, das Handling mit den Messzellen einfacher und zeitsparender ist und dass der Messbereich der Gasadsorption bereits im unteren Mikroporenbereich (ca. bis 0,3 nm) beginnt, während mit der Quecksilberporosimetrie Mikroporen nicht bestimmt werden können.
Beispiel
Die folgende Abbildung zeigt eine Isotherme für das Adsorptionsverhalten von Stickstoff bei 77 K an einem MCM-41-Material. Die anzuwendenden Auswertemodelle richten sich bei der Gasadsorption grundsätzlich nach der Isothermenform und damit den Porenarten und deren Anteilen. Für die kleinen Mesoporen wurde mit der traditionellen BJH- und der modernen NLDFT-Methode ausgewertet. Es ergeben sich dadurch nicht nur Unterschiede sondern es wird im Vergleich mit der tatsächlichen Porengröße von ca. 4,1 nm sichtbar, dass es bei der BJH-Methode deutliche Fehler bei der Berechnung kleiner Mesoporen gibt.
Da man bei den vielfältigen Auswertemöglichkeiten von Adsorptionsisothermen von Erfahrungen gut profitieren kann, bildet die Gasadsorption immer einen Schwerpunkt unserer regelmäßig durchgeführten Weiterbildungsseminare zum Thema Oberflächen- und Porencharakterisierung. Bei diesen Weiterbildungsseminaren wird die Probenvorbereitung, Messung und Auswertung immer für unterschiedliche Feststoffarten an konkreten Beispielen besprochen.
Isotherme für das Adsorptionsverhalten von Stickstoff bei 77 K an einem MCM-41-Material
Für die Porenstrukturanalyse ergibt sich die Möglichkeit, im Relativdruckbereich von 0 bis 1 die Isotherme eines Messgases bei der Siedetemperatur des Messgases zu bestimmen. Aufgrund eines niedrigen Preises und guter Verfügbarkeit wird traditionell mittels N2 bei der Siedetemperatur des N2 (77 K) gemessen. Dessen ungeachtet kann man prinzipiell jedes Messgas bei jeder Messtemperatur bzgl. seines Adsorptionsverhaltens untersuchen, seine Eignung für eine Porenstrukturanalyse diskutieren oder hinsichtlich praktischer Trennprozesse anwenden. In der Praxis haben sich folgende Untersuchungen bewährt:
Beispiel
Es wurden Isothermen von N2 77 K, CO2 273 K und H2 77 an einem Zeolith 4A gemessen, wobei sich Stickstoff bei 77 K gegenüber Wasserstoff bei gleicher Temperatur bzw. Kohlendioxid bei höherer Temperatur ganz anders verhält, d.h. fast nicht adsorbiert wird. Dies ist ein Beispiel dafür, dass mittels Stickstoffadsorption bei 77 K die Mikroporen kleiner 0,5 nm nicht sinnvoll zu vermessen sind und man auf andere Adsorptive und Messtemperaturen ausweichen sollte. Unser LabSPA (Lab for Scientific Particle Analysis) führt als Test- und Auftragsmessungen all diese Messungen durch, es gibt kaum einen Temperatur- und Druckbereich, den wir mit unserer Messtechnik nicht erfassen können.
Isothermen von N2 77 K, CO2 273 K und H2 77 an einem Zeolith 4A
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