الامتزاز الفيزيائي (BET)
مقدمة:
تحليل BET (Brunauer-Emmett-Teller) هو تقنية تحليل فيزيائية تُستخدم لدراسة امتصاص جزيئات الغاز على الأسطح الصلبة. تُعتبر هذه الطريقة أداة أساسية في مجال الكيمياء السطحية، حيث توفر معلومات قيمة حول الخصائص السطحية للمواد، بما في ذلك مساحة السطح، حجم الجسيمات، وخصائص المسامية
في الوقت الحاضر، نظرًا للاستخدامات الواسعة للمواد المسامية، خاصة المواد المسامية ذات التركيب النانوي في مجالات الفيزياء والكيمياء والهندسة وعلوم البيئة وعلوم الحياة، أصبح تحليل BET أداة ضرورية ومستخدمة على نطاق واسع. استنادًا إلى امتزاز (إدمصاص) و مج (خروج) الغاز، مثل النيتروجين، تتيح هذه الطريقة التقدير الإحصائي للمساحة السطحية، مستوى التخلخل، شكل المسام، وحجم المسامات الميكروية والمتوسطة والكبرى في المواد. يعمل تحليل BET من خلال قياس حجم غاز النتروجين المُمتز والذائب من قبل سطح المادة عند درجة حرارة ثابتة من سائل نتروجين (77 كلفن).
وهي تعد أداة قوية في دراسة خصائص المواد، خصوصًا في مجال الكيمياء السطحية والمواد النانوية. وتُستخدم هذه التقنية لفهم سلوك المواد في الإمتزاز والتجاذب مع الغازات السطحية، مما يساهم في تطوير محفزات فعالة وتطبيقات في الطاقة والبيئة.
مبدأ العمل:
تقنية BET تعتمد على قياس كمية الغاز المُمتزَز على سطح المادة عند درجات حرارة معينة. تُستخدم عادةً غازات مثل النيتروجين أو الأرجون.
في تحليل BET، يرتبط مقدار الغاز المُمتص على السطح بشكل مباشر بمساحة السطح المتاحة. يُعتمد على مبدأ أن كلما زادت مساحة السطح، زادت كمية الغاز الممتص. يتم قياس كمية الغاز الممتص باستخدام غازات مثل النيتروجين، حيث يُخزن الغاز في حجرة مفرغة ويتم قياس الضغط عند درجات حرارة محددة.
يمكن فصل الغاز الممتص عن السطح من خلال تغيير الظروف، مثل تقليل الضغط، مما يُتيح دراسة السلوك الديناميكي للغازات على السطح الصلب.
فوائدها:
جهاز تحليل BET قادر على قياس كمية الغاز المُمتص أو المُحرر من السطح الصلب عند ضغوط مختلفة. من خلال دراسة شكل منحنيات امتصاص الغاز وإعادة امتصاصه، يمكن تحديد عدة خصائص مهمة، منها:
حجم المسام: تحديد حجم وشكل المسام المفتوحة في العينة.
الخصائص السطحية: تقدير المساحة السطحية الخاصة بالعينة.
المسامية: فهم المسامية الكلية والموزعة.
التطبيقات والمزايا
تعتبر طريقة BET وسيلة سريعة وفعالة نسبيًا لتحليل الخصائص الفيزيائية للمواد، وتُستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، منها:
قياس المساحة السطحية الخاصة بالنانو مواد: مثل الجسيمات النانوية، القضبان النانوية، الألياف النانوية، والألواح النانوية، والتي تتمتع بمساحات سطحية خاصة تزيد عن متر مربع لكل غرام.
تحليل الحفازات: قياس المساحة السطحية الخاصة بالحفازات والمواد الماصة النانوية، مما يسهم في تحسين كفاءتها.
تحديد نسبة المسام المفتوحة: قياس شكل ونسبة المسام المفتوحة في المواد المسامية، مما يساعد في تقييم أدائها في التطبيقات المختلفة.
تحديد حجم المسام: قياس شكل وحجم المسام بحجم يتراوح بين 0.5 إلى 200 نانومتر، مما يُفيد في تصميم تطبيقات متقدمة في مجالات مثل التخزين والامتزاز.
تحليل حجم الجسيمات: قياس متوسط حجم الجسيمات، وهو أمر ضروري في تطوير المواد وتحسين خصائصها.
تفسير النتائج
تحليل BETيُستخدم بشكل رئيسي لتحديد المساحة السطحية الخاصة للمواد، وخاصة المواد المسامية.ويشمل ذلك عدة جوانب رئيسية:
1. منحنى الامتصاص:
البيانات الناتجة عن تحليل BET تُظهر عادةً منحنى يمثل العلاقة بين كمية الغاز المُمتص (الوزن) وضغط الغاز. يشمل هذا المنحنى عدة مراحل:
المرحلة الأولية: في هذه المرحلة، يتم امتصاص الغاز بسرعة، مما يشير إلى وجود عدد كبير من مواقع الامتزاز المتاحة.
المرحلة الوسطى: مع زيادة الضغط، يتباطأ معدل الامتصاص، مما يدل على اقتراب السطح من التشبع.
المرحلة النهائية: عند ضغط معين، يُظهر المنحنى استقرارًا، مما يعني أن معظم مواقع الامتزاز قد تم إشغالها.
2. حساب المساحة السطحية:
يمكن حساب المساحة السطحية الخاصة من خلال قياس كمية الغاز الممتص عند ضغط معين.
3. دلالات النتائج:
المساحة السطحية: تُعتبر المساحة السطحية الخاصة القيمة الأساسية المستخرجة من تحليل BET. كلما زادت هذه القيمة، زادت قدرة المادة على الامتصاص والتفاعل مع المواد الكيميائية.
حجم المسام: يمكن استخدام نتائج BET لتقدير حجم المسام وتوزيعها، مما يُعطي فكرة عن البنية الداخلي للمادة.
التطبيقات: تشير النتائج إلى مدى ملاءمة المادة لاستخدامات محددة، مثل الحفازات، المواد الماصة، والبطاريات.