日本ゼオライト学会 刊行物 Publication of Japan Zeolite Association

ISSN: 0918–7774
一般社団法人日本ゼオライト学会 Japan Zeolite Association
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Zeolite News Letters 19(4): 151-157 (2002)
doi:10.20731/zeoraito.19.4.151

解説解説

ガス吸着法による細孔構造解析の進展Pore size analysis by gas adsorption

1ユアサアイオニクス株式会社Yuasa Ionics Co.,Ltd. ◇ 〒105-0021 東京都港区東新橋2-13-15

2Quantachrome Instruments

発行日:2002年12月10日Published: December 10, 2002
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ガス吸着法は比表面積,細孔分布,細孔容積等,多孔材料の幅広い特性を知る上で重要な方法である。しかしながら,この方法は表面積や細孔径を解析するする上で,吸着現象や細孔内部での流体の挙動や吸着等温線のヒステリシス等の基本的な理解が必要となってくる。マクロスコピックな解析手法(古典熱力学)は,細孔モデルヘガス分子が満たされていく現象を仮定していることが前提である。例えば,BJH法のようなケルビン式に基づく解析方法は,細孔への毛管凝集に関連している。これらはメソ細孔領域の解析には適用できるが,ミクロ細孔ヘガス分子が満たされていく現象やメソ細孔でも小さな領域では正確に評価することができない。他の古典的な理論としてはHK法やSF法等があり,ミクロ細孔への解析には適しているが,メソ細孔への適用は不適切である。したがって従来はミクロ細孔とメソ細孔の両方を有する2元細孔体のような材料には,異なる二つの理論を適用しないと評価ができなかった。一方,DFTやMC法は従来のマクロスコピックな取扱いとは異なり,ミクロスコピックな分子吸着現象を理解することが可能となり,ミクロ~メソ細孔の幅広い領域に渡って一つの理論で解析することが可能となっている。

Gas adsorption is a prominent method to obtain a comprehensive characterization of porous materials with respect to the specific surface area, pore size discribution and porosity. This requires, however, a detailed understanding of the fundamental processes associated with the sorption and phase behavior of fluids in porous materials and their influence on the shape of sorption isotherm, which serves as a basis for surface and pore size analysis.

So-called classical macroscopic, thermodynamic concepts are based on the assumption of a certain pore filling mechanism. Methods based on the Kelvin equation (e.g. BJH method) are linked to the pore condensation phenomena, i.e., they are applicable for mesopore size analysis, but they fail to describe the pore filling of micropores and even narrow mesopores in a correct way. Other classical theories, like for instance the Dubinin-Radushkevich approach, and semi empirical treatments such those of Horvath-Kawazoe (HK), and Saito-Foley (SF) are dedicated to describe micropore filling but cannot be applied for mesopore size analysis. Hence, in case of a materials consist both micro- and mesopores, at least two different methods have to be used to obtain the pore size distributions from such an adsorption/desorption isotherm.

Non-Local Density Functional Theory (NLDFT) and Grand Canonical Monte Carlo simulation (GCMC) methods provide a microscopic and accurate description of fluinds in confined geometries in contrast to macroscopic, thermodynamic approaches like the methods of Barrett-Joyner-Halenda, Dubinin-Radushkevich etc. In contrast to the classical, macroscopic approches, the NLDFT and GCMC methods allow to obtain a more accurate pore size analysis for narrow micro- and mesopores. No assumptions are necessary concerning the nature of pore filling. The equilibration density profiles of the confined fluid at given temperature and pressure can be directly obtained by NLDFT and GCMC calculations. NLDFT and GCMC methods can be applied to obtain a pore size analysis over the complete micro- and mesopore diameter range by using a single method.

Key words: NLDFT; GCMC; microporous; mesoporous; simulation

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