多孔粉體材料是一類具有內部或表面孔隙結構的固體顆粒物質，由于這類材料自身的孔隙結構以及高比表面積，在催化、吸附、分離、藥物傳遞、能量儲存和轉換等眾多領域得到了廣泛應用。為了確保多孔粉體的透過性、滲透速率、過濾性能、吸附性等一系列的性質，對其孔結構進行表征尤為重要。本篇文章就從多孔粉體的主要評價指標出發，聊聊相關表征技術。

多孔粉體的主要評價指標

目前，多孔材料的主要評價指標包括：比表面積、孔容、孔徑分布、孔形態等。

①比表面積：比表面積是單位質量物質所具有的總表面積，比表面積越大的粉體可提供更多的反應位點和吸附位點，其表面活性、表面吸附能力和催化能力等表面效應越顯著，在催化劑、吸附劑、藥物載體等應用中表現出更強的性能。

②孔容：單位質量或體積材料中孔隙的總體積，在催化、藥物傳遞、能量儲存和轉換等應用中，孔容直接關系到材料的儲存能力，以及物質傳輸效率。例如，在氣體儲存（如氫氣、甲烷等）中，高孔容意味著更大的存儲容量；而在催化反應中，足夠的孔容可以保證反應物和產物的有效擴散，提高催化效率。

③孔徑分布：多孔粉體不同的應用需滿足的孔徑要求并不一樣，微孔(<2nm)有利于氣體分子或離子的吸附、中孔(2-50nm)常用于催化劑或化學藥品的載體、而大孔(>50nm)則更適用于過濾、分離、能量存儲等領域?？讖椒植际侵缚兹蓦S孔徑的變化或者分布，該表征指標有利于確定多孔粉體的適用性。

④孔形態：是指材料內部或表面孔隙的幾何形狀、連通性以及排列方式，其對于多孔材料的吸附、過濾、儲存、催化等性質也有重要影響。

孔洞連通性

二、多孔粉體的表征技術

1、氣體吸附法

氣體吸附法的原理是：在一定的壓力下，使被測樣品表面在超低溫下對惰性氣體分子（氮氣等）進行可逆吸附，并測定出一定壓力下的平衡吸附量，最后通過測量樣品在不同壓力條件下（壓力P與飽和壓力P0）的凝聚氣量，繪制出其等溫吸附和脫附曲線，利用理論模型即可求出被測樣品的比表面積、孔徑分布、孔隙率等相關指標。值得注意的是，由于實際顆粒外表面的不規則性，嚴格來講，該方法測定的表面積是吸附質分子所能到達的顆粒外表面和內部通孔總表面積之和。

應用案例：ZIF分子篩比表面及孔徑分布的表征（案例來源：國儀量子）

ZIF分子篩的比表面積測試結果(左)和N2-吸脫附等溫線(右)

從左圖可看出，該ZIF分子篩的比表面積為857.63 m²/g。而從右圖可知，在低分壓區（P/P0＜0.1）吸附量存在急劇上升的趨勢，這歸因于微孔的填充，表明材料中存在一定量的微孔結構，在P/P0約為0.40～0.99的范圍內存在回滯環，說明該ZIF分子篩中具有豐富的介孔結構。

2、壓汞法

汞對大多數固體材料具有非潤濕性，需外加壓力才能進入固體孔中，而壓汞法的原理就是將汞以一定壓力注入試樣的開口孔隙中，由于汞能進入的孔的大小與壓力有關，兩者關系符合瓦什伯恩（Washburn）方程，外壓越大，汞能進入的孔半徑越小，因此可控制不同的壓力，測出壓入孔中汞的體積，并通過壓汞過程中汞進入樣品孔隙中產生的電信號進行數據處理，模擬相關圖譜，得到對應于不同壓力的孔徑大小的累積分布曲線或微分曲線，最后計算孔隙率、體積密度、表觀密度、不同孔徑區間的孔體積占比等孔隙數據。一般來說，壓汞法可以量化出多孔材料大孔和部分介孔（大于8nm）的分布情況。

壓汞法原理

3、小角X射線衍射法（SAXS）

SAXS的測量原理是基于X射線與樣品中不同密度區域之間的相互作用。當X射線束穿過樣品時，由于樣品內部存在不同的電子密度區域（例如固體基質和孔隙），X射線會發生散射。散射角非常?。ㄍǔＰ∮?°），因此稱為“小角”散射。通過檢測這些散射X射線的強度分布，可以獲取關于樣品內部結構的信息。

通常，小角X射線衍射通過測定中孔材料的孔壁之間的距離，用小角衍射峰來表征有序中孔材料的孔徑，具有無需樣品制備、非破壞性方法、測試時間短的優勢，但其存在局限性：對于孔排列不規整的多孔材料，不能獲得孔徑大小的結果，即XRD沒有小角峰不代表一定不是中孔，也可能是中孔的排列不規整，需要結合其他測試結果來分析。

4、顯微法

顯微鏡法是表征多孔材料結構和形態的重要手段，能夠提供直觀的視覺信息，幫助研究人員了解材料的微觀結構特征，能夠直接為多孔材料提供較全面的孔結構形貌信息。目前，掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等常用的顯微鏡技術都可用于測量多孔材料，其中，SEM僅可提供樣品表面的詳細三維圖像，TEM則提供樣品內部結構的二維投影圖像，且放大倍數更大。

(a,c)具有分形結構的多孔二氧化硅納米顆粒的TEM圖像、(b, d)樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒的TEM圖像、(e, g)具有分形結構的多孔二氧化硅納米顆粒的SEM圖像、(f, h) 樹枝狀介孔二氧化硅納米顆粒的SEM圖

（來源：Jun Zhang，Pore architecture influences the enzyme immobilization performance of mesoporous silica nanospheres，昆士蘭大學）

該方法的缺點是觀察的這些方法視野小，只能看到局部信息。除此之外，顯微法制備樣品相對困難，且測試過程對材料具有破壞作用。

參考文章：

材料與器件檢測技術中心.《科研干貨 | 多孔材料的孔結構表征方法有哪些？中心設備幫助您》

國儀量子.《氣體吸附技術在分子篩材料表征中的應用》

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