2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
2.2.1.2. Phân loại sự hấp phụ khí đẳng nhiệt
Theo tiêu chuẩn phân loại IUPAC, tất cả các đường hấp phụ khí đẳng nhiệt thực nghiệm có thể nhóm vào 5 mô hình hấp phụ cơ bản (hình 2.5). Việc hiểu rõ những mô hình hấp phụ này rất có ích trong việc phân tích đặc tính xốp (micro, meso cũng như macro) của vật liệu carbon.
Hình 2.5. Phân loại các dạng đường cong hấp phụ khí đẳng nhiệt [4]
Loại I cho thấy rõ nét sự hấp phụ xảy ra chủ yếu tại áp suất tỷ đối thấp, và sau đó bão hòa. Loại I thông thường chỉ ra sự hấp phụ diễn ra trên lỗ xốp micro (ví dụ sự hấp phụ C6H6 trên lỗ xốp micro của carbon hoạt tính) hay là hấp phụ trên đơn lớp bởi vì sự tương tác mạnh mẽ giữa chất được hấp phụ và chất khí hấp phụ (trong trường hợp này có thể là hấp phụ hóa học, ở đó liên quan đến các liên kết hóa học giữa chất khí và bề mặt chất được hấp phụ, ví dụ sự hấp phụ của H2 trên bề mặt Fe). Nếu chất khí không phân cực (N2, Ar), hấp phụ hóa học không thể xảy ra và do đó loại I phản ánh sự hấp phụ hóa học trên lỗ xốp micro của chất rắn. Tuy nhiên, loại hấp phụ này cũng có thể xảy ra trên các vật liệu có lỗ xốp meso nhỏ. Cụ thể là trường hợp hấp phụ khí N2 tại 77K hoặc Ar tại cả 77K
áp suất tỷ đối dưới 0,1 đối với vật liệu có độ xốp micro cao. Do đó, khi đường hấp phụ loại I không bão hòa với áp suất tỷ đối dưới 0,1 mẫu sẽ chứa nhiều lỗ xốp meso. Tóm lại, đường đẳng nhiệt loại I thể hiện vật liệu có đặc tính lỗ xốp micro với diện tích bề mặt nội tương đối lớn.
Sự hấp phụ trên nhiều vật liệu rắn có tính chất xốp macro (ví dụ như carbon black, silica) xuất phát thông qua sự hình thành cấu trúc đa lớp, ở đó hàm lượng hấp phụ càng gia tăng khi áp suất tỷ đối càng tăng mặc dù sự hình thành đa lớp làm cho áp suất hơi bão hòa có thể tụt xuống đột ngột. Quá trình hình thành đa lớp không giới hạn này được mô tả trong đường đẳng nhiệt loại II và III, những nhánh hấp phụ và giải hấp đều xảy ra đồng thời, không có sự trễ pha giữa hấp phụ và giải hấp (hình 2.6). Dựa vào đặc tính bề mặt chất rắn, có thể thấy giai đoạn hình thành đơn lớp (loại II) hay đường hấp phụ lồi xuống trên suốt thang áp suất (loại III). Ngoài ra có thể quan sát thấy sự tương tác giữa các phân tử khí hấp phụ với nhau mạnh hơn sự tương tác của chúng đến bề mặt chất rắn. Đường đẳng nhiệt thuận nghịch loại II là điển hình cho các loại vật liệu hấp phụ không có tính xốp hoặc có tính xốp macro. Còn loại III điển hình cho sự hấp phụ của nước trên bề mặt carbon không có tính xốp.
Sự hấp phụ trên chất rắn có tính xốp meso diễn ra thông qua hấp phụ đa lớp sau đó có sự ngưng tụ mao dẫn (loại IV và V). Do đó, quá trình hấp phụ ban đầu tương tự như chất rắn xốp macro nhưng khi áp suất cao hơn, hàm lượng hấp phụ tăng rất nhanh bởi vì sự ngưng tụ mao dẫn trong lỗ xốp meso. Sau khi những lỗ xốp meso được hấp phụ đầy, đường đẳng nhiệt sẽ bão hòa. Sự ngưng tụ và bay hơi mao dẫn thường diễn ra không đồng thời, điều này dẫn đến sự xuất hiện các nhánh giải hấp trễ (hysteresis loop). Tuy nhiên, hiện tượng này được khám phá từ lâu và nó đặc trưng cho những vật có tính xốp meso pân bố trật tự (OMM), ở đó sự ngưng tụ và bay hơi mao dẫn trong lỗ xốp meso có thể bị đảo ngược (tiêu biểu như loại Vc). Nhìn chung, loại IV và V điển hình cho những vật liệu nanocomposite hữu cơ-vô cơ mặc dù rằng khi những lỗ xốp này tiến gần đến kích thước lỗ xốp micro hay sự phân bố kích thước lỗ xốp (PSD) được mở rộng thì có thể quan sát được đường đẳng nhiệt giống như loại I. Những nét tương phản giữa loại IV và V cũng tương tự như giữa loại II và III.
Đối với đường giải hấp đẳng nhiệt, de Boer cũng đã xác định 5 loại nhánh giải hấp trễ (hình 2.6), mỗi dạng giải hấp trễ này sẽ tương ứng với một hình dạng cấu trúc lỗ xốp trong vật liệu riêng biệt.
Hình 2.6. Các dạng đường cong giải hấp trễ dựa theo phân loại của de Boer [4]
Đối với loại A thì lỗ xốp có hình dạng trụ tròn, loại B liên quan đến các rãnh hoặc khe nứt, loại C ứng với lỗ có dạng hình phễu, loại D tương ứng với lỗ xốp dạng trụ nhưng bị thắt cổ chai ở giữa, một hoặc cả hai đầu đều hở và với loại E lỗ xốp có hình dạng như một cái lọ. Nhìn chung, tất cả các nhánh giải hấp trễ đều kết thúc tại áp suất tỷ đối khoảng 0,3; trước khi tiến đến vùng lỗ xốp micro.