如何对多孔粉体材料的孔结构进行评价表征，佳美机械梅工18540392279

多孔粉体材料是一类具有内部或表面孔隙结构的固体颗粒物质，由于这类材料自身的孔隙结构以及高比表面积，在催化、吸附、分离、药物传递、能量储存和转换等众多领域得到了广泛应用。为了确保多孔粉体的透过性、渗透速率、过滤性能、吸附性等一系列的性质，对其孔结构进行表征尤为重要。本篇文章就从多孔粉体的主要评价指标出发，聊聊相关表征技术。

多孔粉体的主要评价指标

目前，多孔材料的主要评价指标包括：比表面积、孔容、孔径分布、孔形态等。

①比表面积：比表面积是单位质量物质所具有的总表面积，比表面积越大的粉体可提供更多的反应位点和吸附位点，其表面活性、表面吸附能力和催化能力等表面效应越显著，在催化剂、吸附剂、药物载体等应用中表现出更强的性能。

②孔容：单位质量或体积材料中孔隙的总体积，在催化、药物传递、能量储存和转换等应用中，孔容直接关系到材料的储存能力，以及物质传输效率。例如，在气体储存（如氢气、甲烷等）中，高孔容意味着更大的存储容量；而在催化反应中，足够的孔容可以保证反应物和产物的有效扩散，提高催化效率。

③孔径分布：多孔粉体不同的应用需满足的孔径要求并不一样，微孔(<2nm)有利于气体分子或离子的吸附、中孔(2-50nm)常用于催化剂或化学药品的载体、而大孔(>50nm)则更适用于过滤、分离、能量存储等领域。孔径分布是指孔容随孔径的变化或者分布，该表征指标有利于确定多孔粉体的适用性。

④孔形态：是指材料内部或表面孔隙的几何形状、连通性以及排列方式，其对于多孔材料的吸附、过滤、储存、催化等性质也有重要影响。

孔洞连通性

二、多孔粉体的表征技术

1、气体吸附法

气体吸附法的原理是：在一定的压力下，使被测样品表面在超低温下对惰性气体分子（氮气等）进行可逆吸附，并测定出一定压力下的平衡吸附量，最后通过测量样品在不同压力条件下（压力P与饱和压力P0）的凝聚气量，绘制出其等温吸附和脱附曲线，利用理论模型即可求出被测样品的比表面积、孔径分布、孔隙率等相关指标。值得注意的是，由于实际颗粒外表面的不规则性，严格来讲，该方法测定的表面积是吸附质分子所能到达的颗粒外表面和内部通孔总表面积之和。

应用案例：ZIF分子筛比表面及孔径分布的表征（案例来源：国仪量子）

ZIF分子筛的比表面积测试结果(左)和N2-吸脱附等温线(右)

从左图可看出，该ZIF分子筛的比表面积为857.63 m2/g。而从右图可知，在低分压区（P/P0＜0.1）吸附量存在急剧上升的趋势，这归因于微孔的填充，表明材料中存在一定量的微孔结构，在P/P0约为0.40～0.99的范围内存在回滞环，说明该ZIF分子筛中具有丰富的介孔结构。

2、压汞法

汞对大多数固体材料具有非润湿性，需外加压力才能进入固体孔中，而压汞法的原理就是将汞以一定压力注入试样的开口孔隙中，由于汞能进入的孔的大小与压力有关，两者关系符合瓦什伯恩（Washburn）方程，外压越大，汞能进入的孔半径越小，因此可控制不同的压力，测出压入孔中汞的体积，并通过压汞过程中汞进入样品孔隙中产生的电信号进行数据处理，模拟相关图谱，得到对应于不同压力的孔径大小的累积分布曲线或微分曲线，最后计算孔隙率、体积密度、表观密度、不同孔径区间的孔体积占比等孔隙数据。一般来说，压汞法可以量化出多孔材料大孔和部分介孔（大于8nm）的分布情况。

压汞法原理

3、小角X射线衍射法（SAXS）

SAXS的测量原理是基于X射线与样品中不同密度区域之间的相互作用。当X射线束穿过样品时，由于样品内部存在不同的电子密度区域（例如固体基质和孔隙），X射线会发生散射。散射角非常小（通常小于5°），因此称为“小角”散射。通过检测这些散射X射线的强度分布，可以获取关于样品内部结构的信息。

通常，小角X射线衍射通过测定中孔材料的孔壁之间的距离，用小角衍射峰来表征有序中孔材料的孔径，具有无需样品制备、非破坏性方法、测试时间短的优势，但其存在局限性：对于孔排列不规整的多孔材料，不能获得孔径大小的结果，即XRD没有小角峰不代表一定不是中孔，也可能是中孔的排列不规整，需要结合其他测试结果来分析。

4、显微法

显微镜法是表征多孔材料结构和形态的重要手段，能够提供直观的视觉信息，帮助研究人员了解材料的微观结构特征，能够直接为多孔材料提供较全面的孔结构形貌信息。目前，扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等常用的显微镜技术都可用于测量多孔材料，其中，SEM仅可提供样品表面的详细三维图像，TEM则提供样品内部结构的二维投影图像，且放大倍数更大。

(a,c)具有分形结构的多孔二氧化硅纳米颗粒的TEM图像、(b, d)树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒的TEM图像、(e, g)具有分形结构的多孔二氧化硅纳米颗粒的SEM图像、(f, h) 树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒的SEM图

（来源：Jun Zhang，Pore architecture influences the enzyme immobilization performance of mesoporous silica nanospheres，昆士兰大学）

该方法的缺点是观察的这些方法视野小，只能看到局部信息。除此之外，显微法制备样品相对困难，且测试过程对材料具有破坏作用。