吸附法研究固体表面的分形性质-大学化学-北京大学.pdfVIP

第 20卷 　第 4 期 2005年 8月 吸附法研究固体表面的分形性质 赵振国 (北京大学化学学院　北京 10087 1) 　　摘要 　介绍用气体和蒸气吸附等温线数据求出的单层饱和吸附量和根据等温线毛细凝结区 域数据求算分形固体表面分维值的方法 ;提出了用固体自溶液中吸附数据计算分维值的方法 。讨 论了介孔吸附剂的分维和固体表面分形性质在物理化学方面的应用 。 　　在物质世界中 ,固体应用最为广泛 , 由固体参与形成的界面无处不在 ,因而固气 、固液和固 固界面是界面化学研究的重要内容 。欧氏几何用整维数概念描述空间物体 :点为 0 维 ,线为 1 维 ,面为 2 维 ,体为 3 维 。整数维利于抽象思维和实际运用 ,但并不能反映事物的基本属性 。 M andelb rot提出分形几何学 ,认为描述空间物体的维数可以是连续变化的[ 1 ] 。如图 1 中的曲 ( 线 , 由欧氏几何的定义其维数均为 1,而分形几何则认为可用介于 1～2 之间的分数值 分维 , ) 常以 D 表示 描述这些曲线的弯曲程度 。粗糙的平面可用介于 2 ～3 间的分维描述 ,此分维值 能反映粗糙平面充满空间的状态 。对于 固体表面 ,分维也是一种表征表面粗糙性 的参数 。只有严格的分形几何学图形具 有 自相似性 , 即取该体系的一部分沿各方 向放大相同倍数后 ,其形态与原整个体系 相同。自然界图形只有近似的自相似性 , 或者说只在图形的某一部分范围内有 自 相似性 [ 2 ] 。 　　测定固体表面分维 D 的化学方法有 吸附法 、热力学法 、电化学法等 ,其中以吸 图 1　对一条线的欧氏几何和分形几何描述 (分维 ) 比较 附法应用最多 。 　 1　气体单层饱和吸附量法 　　用气体吸附法测定固体比表面的原理是在一定压力下气体在 1g 固体表面形成饱和单层 覆盖 ,若算出每个吸附分子的横截面积 ,测出单层饱和吸附量 ,二者之乘积即为固体比表面积 。 对于粗糙表面 ,当所用吸附质气体分子大小不同时 ,因固体孔隙大小不同引起的屏蔽作用可使 测出的比表面大小不同。这就是说 ,对于同一粗糙度固体表面 ,其比表面的大小可因选用吸附 质气体分子大小不同而异 ,较小的分子能进入小孔隙 , 因而用小的气体分子测出的比表面大 些 。图 2 是这种情况的示意图。 22 图 2　粗糙固体比表面大小与测定所用气体分子截面积有关的示意图 　 - 2 σ 　　若吸附分子半径为 r,截面积为 ,对于完全平滑的表面 ,单层饱和吸附量 n 正比于 r , m - 2 - D - D / 2 [ 3 ] 即 n ∝ r 。对于分维为 D 的粗糙表面 ,则应有 n ∝ r ,或 n ∝σ 。因而可得 : m m m 　　　　lg n = ( - D /2) lg σ+常数