首頁 利泓專欄 孔隙度分析應用文章(Porosimeter) 不只是 BET:氣體吸附分析如何與XRD結合觀察MOF/COF的孔洞動態
文章摘要:
在氣體分離、催化與儲能領域,多孔吸附劑材料的實際性能,是由晶體結構與孔道特性共同決定的。然而傳統分析方式往往「各自為政」——物理吸附給出孔容、比表面積;XRD 提供物相與晶格資訊,卻難以在吸附發生的當下,即時連結「結構如何變化」與「性能為何提升或衰減」。
這也是為什麼,我們想要分享這個結合氣體吸附分析(gas sorption analysis)與 X 光繞射(XRD)結構解析的「串聯」系統,期待激發新的材料研究方向。
BET(Brunauer–Emmett–Teller)分析幾乎是多孔材料表徵的起手式——用 N₂ 在 77 K 下量測吸附等溫線,計算比表面積與孔徑分布。這是氣體吸附分析中最基礎、也最廣泛使用的一種方法。但 BET 給出的是一張「靜態追焦」:材料吸附前、吸附中、吸附後,結構各是什麼樣子。它沒辦法回答——吸附「正在發生」的當下,孔道與晶格到底如何一步步變化。要看到這個動態的中間過程,需要換一個思路:讓氣體吸附分析與 XRD 在同一時間、同一個樣品上同步進行。
NaX 分子篩是一種具有八面沸石(FAU)結構的微孔材料,因高比表面積與可調的酸鹼位點,被廣泛用於 CO₂ 吸附捕集。傳統做法是量測吸附等溫線判斷吸附容量,接著再另外使用非原位(ex-situ)XRD 比對吸附前後的結晶結構變化,藉此推測吸附機理——但這種「吸附前、吸附後」的靜態分析模式,無法了解吸附過程中的中間態結構變化。
Nexus 系列原位物理吸附 XRD 聯用分析系統的做法不同:在採集 CO₂ 吸附等溫線的每一個平衡點時,同步採集當下壓力點的 XRD 繞射圖譜。搭配高功率 X 光源、256×256 像素的光子直讀二維陣列探測器,以及多級高精度壓力感測器,系統能在真空至常壓的完整範圍內,精準捕捉 NaX 分子篩在不同吸附階段的結構指紋(峰位、峰強、峰形)[2]。
整個吸附過程中,隨著吸附量增加,NaX 分子篩的晶格參數 a 呈現持續且平滑的減小趨勢。但「晶格整體收縮」只是宏觀平均值——真正有趣的問題是:不同晶面,是不是用同樣的方式在反應?
研究團隊進一步分析了三個特徵繞射峰,發現晶面之間的響應行為並不同步:
(111)晶面(2θ=6.106°):峰強隨吸附壓力增加而逐漸下降,但晶面間距減小到一定程度後即趨於穩定
(555)晶面(2θ=30.89°):峰強反而隨吸附量增加而逐漸增大,約 20 kPa 後趨於穩定;晶面間距則逐漸減小,約 50 kPa 後趨於穩定
(440)晶面(2θ=20.036°):峰強隨吸附量快速下降,約 10 kPa 後趨於穩定;晶面間距則持續收縮,未見明顯平緩
這代表什麼?