技術分享 | 氧化鋁材料比表面積和孔徑結構表征方法

氧化鋁（Al?O?），俗稱“鋁氧"，是一種重要的無機功能材料，具有多種同質異晶體結構。目前已發現氧化鋁有10多種晶型，其中最常見的包括α-Al?O?、β-Al?O?和γ-Al?O?。α-Al?O?是熱力學最穩定的晶型，在1300℃以上高溫環境下，其他晶型會不可逆地轉變為α相[1]。工業上氧化鋁主要通過拜耳法生產，其產量約占全球總產量的95%。不同晶型的氧化鋁具有顯著不同的性質和應用領域。α-Al?O?具有結構致密、硬度高、熱穩定性好等特點，主要用于耐火材料、研磨材料、高級陶瓷等領域；而γ-Al?O?則因其多孔性、高比表面積和豐富的表面酸性位點，被廣泛用作催化劑載體和吸附劑。

圖1 氧化鋁粉體材料（圖片來源于網絡）

根據 GB/T 24487-2022《氧化鋁》及 GB/T 6609.35-2009《氧化鋁化學分析方法和物理性能測定方法 第 35 部分：比表面積的測定 氮吸附法》，氮吸附法是當前氧化鋁比表面積測定的主流方法，同時該方法也可用于氧化鋁的孔徑結構分析。

2.2 樣品預處理（脫氣）

脫氣是氮吸附測試前至關重要的步驟，目的是去除樣品表面吸附的水分、油污及其他雜質，確保測試過程中只有氮氣分子在樣品表面吸附，從而獲得準確的比表面積和孔徑數據。若脫氣不徹底，殘留雜質會占據樣品表面的吸附位點，導致測得的比表面積偏小。不同類型氧化鋁的脫氣溫度和時間存在顯著差異：

（1）高純 α-Al?O?化學性質穩定，比表面積較低，對脫氣溫度的要求相對寬松，可根據實際情況選擇 120-300℃的脫氣溫度，脫氣時間為 2-6 小時。

（2）對于活性氧化鋁（如 γ-Al?O?、η-Al?O?），其表面存在大量羥基（-OH），過高的脫氣溫度會導致表面羥基脫水，引發樣品燒結或晶型轉變（如從 γ-Al?O?向 α-Al?O?轉變），造成孔結構坍塌，比表面積急劇下降。因此，活性氧化鋁的安全脫氣溫度通常控制在 200-300℃，脫氣時間一般為 4-5 小時。

（3）若對氧化鋁材料的結構特性不明確，可通過熱重分析（TGA）獲取樣品的熱失重曲線，根據曲線確定合適的脫氣溫度，避免因溫度選擇不當對樣品造成破壞或影響測試結果準確性。

高純α-Al?O?具有晶體結構穩定、粒度分布均勻、化學純度高等特點，但其比表面積通常較低（一般小于10 m2/g）。這一特性使其不適合直接作為催化劑使用，但卻使其在耐火材料、電子陶瓷、精密拋光等對熱穩定性和機械強度要求較高的領域具有獨特優勢。近年來，隨著新能源產業的發展，高純α-Al?O?在鋰電池隔膜涂層、固體氧化物燃料電池電解質等高端領域的應用也日益廣泛。

以下是采用國儀量子Climber60系列比表面積及孔徑分析儀對2種高純Al2O3進行比表面積測定案例。如圖2和圖3所示，通過BET方程可得出高純氧化鋁A#和氧化鋁B#的比表面積分別為4.34 m2/g和7.11 m2/g，兩種Al?O?的比表面積均較低，符合高純Al?O?的結構特性。值得注意的是，對于此類低比表面積材料，測試過程中的樣品準備和儀器精度尤為關鍵。建議樣品量建議不少于1g，并在脫氣后迅速進行測試，以減少空氣中水分的再吸附對結果的影響。

圖3 高純氧化鋁B#-比表面積測試結果

高純 α-Al?O?的低比表面積是其在耐高溫、精密拋光等領域應用的關鍵特性，準確測定其比表面積對于控制產品質量、優化生產工藝具有重要意義。實際生產中，需根據產品的應用需求，合理控制 α-Al?O?的粒度和比表面積，以確保產品性能達標。

活性氧化鋁通常指具有高比表面積和豐富孔結構的γ-Al?O?及其相關變體，是石油化工、環境保護等領域中最重要的催化劑載體之一。其性能在很大程度上取決于合成方法，常見的制備方法包括沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法等[2]。不同方法制備的活性氧化鋁在比表面積、孔體積、孔徑分布以及表面酸性等方面存在顯著差異，因此需要系統的表征來指導材料設計與應用。以下選取了兩種不同制備工藝的活性氧化鋁樣品（記為 1#、2#），采用國儀量子Climber60系列比表面積及孔徑分析儀對其進行分析。

比表面積分析：如圖4和圖5所示，1#樣品的比表面積為139.52 m2/g，2#樣品為231.02 m2/g，差異主要源于合成過程中孔徑控制策略的不同。

圖4 活性氧化鋁1#-比表面積測試結果

圖5 活性氧化鋁2#-比表面積測試結果

等溫線分析：如圖6和圖7所示，兩種活性氧化鋁樣品均呈現典型的IV型等溫線，說明材料以介孔結構為主。在相對壓力（P/P?）0.4-0.9范圍內出現的明顯回滯環，表明材料中存在明顯的毛細凝聚現象。

圖6 活性氧化鋁1#的 N2-吸脫附等溫線

圖7 活性氧化鋁2#的 N2-吸脫附等溫線

孔徑分布分析：如圖8和圖9所示， 1#樣品的最可幾孔徑為5.76nm，2#樣品為13.41 nm。進一步分析回滯環形狀發現，1#樣品的回滯環更接近H2型，暗示其孔道結構可能存在"墨水瓶"型孔；而2#樣品的回滯環近似H1型，表明其可能存在較為均勻的圓柱形孔道。

圖8 活性氧化鋁1#的BJH-吸附孔徑分布圖

圖9 活性氧化鋁2#的BJH-吸附孔徑分布圖

活性氧化鋁的比表面積和孔徑結構是決定其吸附和催化性能的核心參數，在實際應用中，需根據具體的工藝需求選擇合適的活性氧化鋁材料。例如，在廢氣處理中，對于小分子污染物的吸附，可選擇比表面積大、孔徑較小的活性氧化鋁；而在催化反應中，若反應物分子較大，則需要選擇孔徑較大的活性氧化鋁作為載體，以提高反應物分子在催化劑內部的擴散速率。

參考文獻

[1] 武鼎銘,王蕾,申俊.氧化鋁α相變影響因素探析[J].物理化學進展, 2022, 11(1):7.DOI:10.12677/JAPC.2022.111003.

[2] 李翔.新型孔結構氧化鋁的合成與催化性能研究[J].中國石油大學（華東）, 2013.

Climber 比表面積及孔徑分析儀采用靜態容量法原理，可對材料的比表面積、孔徑分布和孔體積等參數進行精準表征，適用于電池、陶瓷、催化、環保、醫藥等行業的材料研究及產品質檢。配套 Climber 控制及分析軟件，能夠實現自動化數據采集、處理和分析，提供用戶友好界面，使得操作更加簡便。比表面積分析范圍：0.0005 m/g及以上比表面積分析；孔徑分析范圍：0.35~500 nm。

產品特點：

• 高通量快速測試

  精巧高通量氣路設計結合智能精準控氣程序，極大提升測試效率，6個樣品五點BET測試可在20 min內完成。

• 管路系統

  集裝式管路精密設計最大限度減小歧管死體積，可長時間維持高真空度；采用低功耗電磁閥系統和傳感器系統，保證內部系統溫度穩定。

• 空氣隔離塞

  使用空氣隔離塞可將預處理后的樣品在隔絕空氣的狀態下轉移至分析口，防止空氣敏感樣品受空氣污染。

• 智能六站獨立預處理機

  6個獨立脫氣站可同時進行不同溫度的樣品處理；全自動軟件操作，實時顯示各站脫氣進度，可預約預處理開始時間，合理安排實驗進程。

• 防樣品抽飛

  比例閥可控，抽速靈活調節，多級抽真空流程有效防止樣品抽飛。

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