材料科学、触媒、エネルギー、環境の分野では、比表面積は材料の性能を測定するための重要なパラメータの 1 つです。活性炭の吸着効率、触媒の活性、電極材料のエネルギー貯蔵性能は、多くの場合、その表面積と密接に関係しています。現在最も広く使用されている表面積測定方法は、BET比表面積試験です。この記事では、原理、サンプル準備、データ処理、注意事項など、いくつかの側面から BET テストを詳細に分析します。
1、原理BETテスト
1.1 吸着現象と比表面積
固体材料の表面では、気体分子が物理吸着の形で材料表面に付着し、単一または複数の分子層を形成します。気体分子が物質表面に平衡吸着するとき、吸着量と気体の相対圧力との間には一定の関係があります。この現象をもとにBET理論が提唱されました。
1.2 BET計算式
BET（ブルナウアー・エメット・テラー）理論は1938年に提唱され、固体表面における気体の多分子層吸着挙動から比表面積の計算法を導き出すことがその核心となっています。
BET 方程式は次の形式になります。
どれの：
(V) 相対圧力下での吸着容量（P/Po）
(Vm):単分子層吸着容量
(P) 吸着圧力
(Po): 飽和蒸気圧
(C) 吸着熱と気化熱の差を反映した定数
実験により一連の吸着データを取得した後、BET 線形グラフをプロットし (通常 (P/Po) を 0.05 ～ 0.35 の範囲で選択します)、傾きと切片から Vm と C を計算し、最終的に比表面積を求めることができます。
1.3 ガスの選択
一般的に使用される吸着媒体は次のとおりです。
窒素 (77 K) → 最も一般的な選択
アルゴンガス（87K） → 微多孔質材料に最適
二酸化炭素（273K） → 超微細孔測定に最適
2、サンプルの準備
BET テストではサンプルの前処理が非常に高度であり、不適切な前処理は結果の逸脱に直接つながる可能性があります。
2.1 脱気処理
目的: 吸着データへの影響を避けるために、サンプルの表面から水分や不純物ガスを除去します。
方法: 脱気には真空または高純度不活性ガス (ヘリウムや窒素など) が一般的に使用されます。
温度選択：材料特性に応じて設定しますが、一般的には80℃～350℃の範囲内で設定します。
ポリマーまたは有機骨格材料: 低温 (80 ～ 120 ℃) で構造損傷を回避
無機酸化物・炭素材料：高温（200～350℃）での使用が可能
2.2 サンプルサイズ
機器や材料の種類に応じて、通常 50 ～ 300 mg のサンプルが必要です。粉末材料は、蓄積による熱伝達の低下を避けるために均一に分散する必要があります。
2.3 注意事項
大気汚染を避ける: 脱ガスが完了したら、吸湿を減らすためにできるだけ早く分析エンドに移す必要があります。
構造の安定性を維持する: 多孔質 MOF やその他の材料の場合、結晶の崩壊を避けるために温度を注意深く制御する必要があります。
再現性: データの比較可能性を向上させるために、できる限り同じ条件下で同じバッチのサンプルをテストするようにしてください。
3、BETテストの実験手順
3.1 吸着脱離等温線の取得
サンプルチューブの装填 → サンプルプールに固定
脱気処理 → 表面の清浄度を確保
コールドトラップ冷却 → 液体窒素（77K）またはその他の冷却方法
徐々に圧力を上げていく→相対圧力を変えてガス吸着量を記録
サイクル完了 → 完全な吸着脱離等温線を取得
3.2 BETインターバルの選択
通常は 0.05 ～ 0.35 P/P0 の範囲で取り付けられます。
BET一貫性基準を満たす必要があります
4、 データ処理と計算
4.1 単分子層吸着容量の計算
BET 方程式を線形近似することにより、傾き (k) と切片 (b) が得られ、以下を計算できます。
4.2 比表面積の計算
気体の分子断面積を考えると (窒素分子は約 0.162 nm ²)、次のようになります。
どれの：
(NA): アボガドロ定数
(σ) 気体分子断面積
(m) : サンプルの品質
4.3 吸脱着等温線の解析
BET 比表面積に加えて、等温線やヒステリシス ループからも情報を取得できます。
開口分布: BJH または DFT 法を使用して計算
細孔容積：高相対圧下での吸着容量から推定
細孔構造のタイプ: I-VI 等温線とヒステリシス曲線はさまざまな細孔構造に対応します
5、 細孔構造の種類と解析
比表面積に加えて、BJH、DFT、その他の方法と組み合わせた BET 試験によって、細孔サイズの分布情報も得られます。
微細孔 (<2 nm)
メソ細孔 (2-50 nm)
マクロ孔 (>50 nm)
開口は50nmより大きい。
窒素吸着では、通常、タイプ II 等温線を示し、吸着容量は圧力の増加とともに増加し続けます。
マクロ細孔自体は比表面積にはあまり寄与しませんが、複合多孔質構造材料の「透過チャネル」としての役割を果たし、拡散性能を向上させることができます。
開口部は 2 ～ 50 nm です。
吸脱着等温線では IV 型の曲線を示し、明確なヒステリシス ループを示します。
シリカ、アルミナ、メソポーラスカーボンなどの材料に広く存在します。
利点: 分子物質移動に有益であり、触媒担体として一般的に使用されます。
細孔サイズは 2 nm 未満で、超高比表面積を実現します。
活性炭、ゼオライト、MOF などによく見られます。
77 K での窒素の吸着は拡散によって制限される可能性があり、測定を補足するには CO 2 吸着が必要です。
6、よくあるトラブルと注意事項
BET 間隔の不適切な選択: 相対圧力が低すぎるか高すぎると、フィッティングのずれが生じる可能性があります。
脱ガスが過剰または不十分である場合:
過剰 → 材料構造の崩壊
不十分 → 表面残留不純物、吸着能力が誤って高い
過剰なサンプル活性: 一部の触媒は試験プロセス中に窒素と相互作用する可能性があるため、特別な注意が必要です。
結果の比較の難しさ: 研究室が異なれば、使用する前処理条件も異なる場合があるため、データを公開する際には、脱気温度、脱気時間、吸着ガスの種類を示す必要があります。
7、BETテストの応用分野
触媒開発
比表面積が大きいほど活性部位が多くなり、通常は触媒活性が高くなります。
エネルギー材料
リチウム電池やコンデンサの電極材料のエネルギー貯蔵性能は、その比表面積や細孔構造と密接に関係しています。
吸着剤および分離材
活性炭、ゼオライト、MOFなどの吸着性能は比表面積に直接依存します。
環境ガバナンス
VOC や重金属イオンなどの汚染物質の吸着と除去には、高比表面積の材料が必要です。
BET 比表面積試験は、古典的で実用的な特性評価方法として、80 年以上にわたって材料科学の分野に適用されてきました。合理的なサンプル前処理、間隔の選択、データ処理を通じて、研究者は正確な表面積と細孔構造の情報を取得でき、材料設計と性能の最適化に確かなデータサポートを提供します。
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