기공 크기에 따른 BET 분석 적용의 적합

BET(Brunauer, Emmett, Teller) 분석은 다공성 물질의 비표면적을 측정하는 데 널리 사용되는 표준 방법입니다. 이 이론은 특히 기공 크기가 2 nm에서 50 nm 사이인 ‘메조다공성(mesoporous)’ 소재에 적용될 때 가장 정확하고 이상적인 결과를 제공합니다. 하지만 실무에서는 BET 이론의 가정이 완벽히 맞지 않는 ‘마이크로다공성(microporous)’ 소재에 대해서도 측정이 빈번하게 이루어집니다.

본 포스팅에서는 BET 이론이 메조다공성 소재에 최적인 과학적 이유와, 그럼에도 불구하고 마이크로다공성 소재의 BET 측정이 널리 이루어지는 현실적 배경을 함께 다루겠습니다.

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BET 이론은 표면에 다분자층(Multilayer Adsorption)이 흡착되는 것을 기본 전제로 합니다. 이것은 메조다공성(Mesoporous) 소재에 특히 적합하다고 알려져 있는데요. 그 이유는 무엇일까요?

메조다공성 소재의 기공 크기는 가스 분자가 표면에 단분자층을 형성한 후, 그 위에 층층이 쌓이는 다분자층 흡착 과정을 거칠 수 있는 충분한 공간을 제공합니다.

– 흡착 메커니즘
다분자층 흡착이 주를 이뤄야 합니다.

– 이상적인 조건
BET 분석에 사용되는 상대 압력(P/P0) 범위(일반적으로 0.05 ~ 0.35)에서, 흡착은 기공 벽을 따라 층을 형성하며 진행됩니다. 이 과정은 BET 방정식의 기본 가정을 가장 잘 만족 시킵니다.

하지만 사실 미세기공(microporous) 소재는 기공이 매우 좁아 BET 이론의 가정이 과학적으로 잘 맞지 않는 부분이 있는데요. 기공이 매우 좁기 때문에 다분자층 형성보다 기공 채움(Pore Filling) 현상이 지배적이기 때문입니다.

미세기공 흡착 메커니즘:
매우 낮은 압력에서도 기공 내부에 응축이 일어나 기공이 곧바로 채워집니다.

이론적 문제:

BET 이론은 평평한 표면 위에 다분자층이 형성된다는 가정을 하는데, 기공 채움이 발생하는 좁은 기공에서는 이 가정이 위반됩니다. 따라서 BET로 계산된 비표면적 값은 이론적으로 실제 값과 차이가 나거나 부정확하게 해석될 수 있습니다.

BET 이론이 마이크로다공성 소재에 이론적 한계를 가짐에도 불구하고, 많은 연구와 산업 현장에서 마이크로 기공 물질(예: 제올라이트, 활성탄)의 비표면적을 BET로 측정하는 데는 다음과 같은 현실적인 이유가 있습니다.

1. 표준화된 비교 척도
BET 분석은 다공성 소재 특성 분석의 가장 보편적이고 표준화된 방법론으로 전 세계적으로 통용됩니다.따라서 마이크로다공성 소재의 경우에도 BET 값은 ‘겉보기(apparent) 비표면적’ 또는 ‘BET 비표면적’이라는 이름으로 측정되어 시료 간의 상대적인 비교 척도로 사용됩니다. 이 값을 통해 흡착 성능 변화 등을 정량적으로 비교할 수 있습니다.

2. 간편성과 접근성
BET 분석은 NLDFT(Non-Local Density Functional Theory)와 같은 고차원적인 기공 분석 이론도 적용이 가능하며, 간단한 분석으로도 BJH 등 method를 적용해 표면 특성을 분석할 수 있습니다.

3. 품질 관리 및 산업 표준
산업 현장에서는 복잡한 이론적 정확성보다는 빠르고 일관된 품질 관리(QC)가 중요합니다.
활성탄과 같은 상용 마이크로다공성 제품은 BET 면적을 특정 범위로 유지하는 것이 품질 표준의 일부가 되어 있습니다. 이는 과학적 정확성보다는 실용적인 산업 표준으로서의 의미를 가집니다.

4. 부분적인 다분자층 기여
실제 마이크로다공성 시료는 마이크로 기공 외에 일부 메조 기공이나 외부 표면을 포함하고 있습니다. 따라서 측정된 BET 값은 이들 외부 표면 및 넓은 기공의 기여도를 반영하는 종합적인 값으로 활용됩니다.

BET 분석은 메조다공성 소재의 비표면적을 측정하는 데 있어 이론적으로 가장 완벽한 방법이지만, 마이크로다공성 소재에 대해서도 실용성, 표준화, 그리고 품질 관리라는 측면에서 여전히 중요한 비교 척도로 활용되고 있습니다.