Systematische Neubewertung von Adsorptiven zur Oberflächen- und Porenanalyse…

…war das Thema unseres Vortrags zum Jahrestreffen der Fachgruppe Adsorption in Berchtesgaden Ende Februar 2020. Dies war leider der vorläufig Letzte von 3P-Vorträgen auf einer Fachtagung, denn allein in diesem Halbjahr fallen sechs weitere 3P-Fachvorträge auf anderen Tagungen aus. Themen unserer 3P-Spezialisten wären unter anderem gewesen:

  • „Umfassende Pulvercharakterisierung: Einfluss mikroskopischer, partikulärer Eigenschaften auf das makroskopische Verhalten von Schüttgütern“
  • Characterization of sorption kinetics of CO2 from N2-rich gas mixtures studied by breakthrough experiments on Zeolites
  • Systematic reassessment of adsorptives for surface area and pore analysis

Gerne teilen wir an dieser Stelle unsere Erfahrungen mit Ihnen auf dem Gebiet der Oberflächen- und Porenanalyse, aber auch zur umfassenden Partikelanalyse mit Partikelgrößenverteilungen, Partikelformanalyse, der Untersuchung von Haufwerken durch Bestimmung von Schütt- und Stampfdichten sowie von Böschungswinkeln und weiteren Parameter.

Beginnen wir bei diesen News mit Ergebnissen aus dem Vortrag von C. Reichenbach und D. Klank vom Februar 2020. Auf der Basis der BET-Auswertemethode zur Oberflächenbestimmung wurden die langjährig verwendete „Standard-Stickstoffmethode bei 77 K“ mit eigenen Messserien hinterfragt. Sowohl die ISO-Norm 9277 für die Bestimmung spezifischer Oberflächen als auch die IUPAC-Empfehlung zur Gasadsorption von 2015 bewerten den Gebrauch von N2 aufgrund er nichtidealen Eigenschaften des Stickstoffmoleküls (Molekülform und Quadrupolmoment) kritisch. Da es inzwischen gute Messalternativen gibt, sind die vielen N2-BET-Ergebnisse in wissenschaftlichen Veröffentlichungen inzwischen fragwürdig. In Abbildung 1 und Tabelle 1 wird dies anhand der Untersuchung eines mesoporösen Standardmaterials (BAM P105) dargestellt.

Isotherms different adsorptives cryoTune

Abbildung 1: Sorptionsisothermen eines mesoporösen Standardmaterials (BAM P105) bei den Siedetemperaturen der Adsorptive

Tabelle 1: Berechnete BET-Oberflächen und Porenvolumina für ein mesoporöses Standardmaterial (BAM P105)

Adsorptiv und Messtemperatur

ABET / m² g-1

VP / cm³ g-1

Stickstoff 77 K

200

0,23

Argon 87 K

150

0,22

Krypton 120 K

140

0,22

Xenon 165 K

120

0,21

Methan 112 K

150

0,22

Tabelle 1 verdeutlicht gut übereinstimmende Porenvolumina, während die mit N2 bei 77 K bestimmte BET-Oberfläche um mehr als 30 % über den anderen BET-Oberflächen liegt. Die Annahme der Flüssigkeitsdichten für die in den Poren vorliegende Adsorbatphase führt zu schlüssigen Werten für die Porenvolumina. Dem gegenüber lassen sich die deutlichen Unterschiede der N2– gegenüber den anderen BET-Oberflächen durch spezifische Wechselwirkungen bei der Ausbildung der Monoschicht (ersten Schicht auf der Feststoffoberfläche) zurückführen. Aber wer mag erklären, dass obwohl alle unpolaren „kleinen“ Adsorptive mit Kugelform (Ar, Kr, CH4) eine BET-Oberfläche von ca. 150 m2/g ergeben, ausgerechnet das ellipsoide N2-Molekül mit Quadrupolmoment zu den „angeblich richtigen spezifischen Oberflächenwerten“ führen soll?

Ein „Pfiffikus“ hat auf eine ähnliche Frage kürzlich mit einem betriebswirtschaftlichen Scherz so geantwortet: „…wir werden nicht auf ein anderes Adsorptiv wechseln, das für unser Industrieprodukt zu kleineren BET-Oberflächen führt!“ Dabei soll er das doch gar nicht, denn die N2 77 K-Methode ist gut genug für einen Ergebnisvergleich verschiedener Laboratorien, d.h.: eine Qualitätskontrolle von Ausgangsstoffen, Zwischen- und Endprodukten ist damit weiterhin möglich. Aber anders als bei Vergleichsmessungen in der Qualitätskontrolle geht es in der Wissenschaft um „Richtigkeit“. Auf manchem wissenschaftlichen Fachgebiet würde man den Kopf schütteln bei 30 % vermeidbarem Fehler…

Fazit: Argon ist das Adsorptiv für die umfassende Texturanalyse poröser und feindisperser Feststoffe schlechthin:

  • Mikroporenanalyse
  • Spezifische Oberfläche
  • Porenweitenverteilung
  • Gesamtporenvolumen
  • Messungen bei 87 K nun auch ohne Flüssig-Argon möglich (z. B. mit der cryoTune-Option für die meisten handelsüblichen Gassorptionsinstrumente, siehe auch Abbildung 2b)

Und in Kürze lesen Sie hier bei 3P Instruments, wie man aus solchen Argonisothermen aus Abbildung 2a noch weitere Informationen über die Oberflächen- und Poreneigenschaften von Materialien erhalten kann.

Argon Isotherms kinetic studies with cryoTune

Abbildung 2a: Argonisothermen im Temperaturbereich von 85 – 120 K zur Untersuchung der Oberflächen- und Poreneigenschaften einer Kugelaktivkohle

Handling of the cryoTune

Abbildung 2b: Die Temperierung der Argonmessungen erfolgte mit der 3P-Option cryoTune 87

Inzwischen wurden von 3P Instruments Adsorptionsgeräte unterschiedlicher Hersteller mit cryoTunes nachgerüstet. Gerne prüfen wir auf Anfrage, ob dies auch für Ihr Sorptionsgerät mit entsprechender Softwareversion möglich ist. Schreiben Sie uns gerne an info@3P-instruments.com oder rufen Sie uns an: + 49 8134 9324 0

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