BET분석 결과 해석: 흡착등온곡선 및 기공 특성의 연관성

기공 특성에 따른 흡착등온곡선의 개형과 흡착 매커니즘의 차이

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비표면적 측정 결과: 흡착등온곡선 (Isotherm linear plot)

BET 분석을 하고 나면 가장 처음으로 확인할 수 있는 것이 흡착등온곡선 입니다. 일정한 온도에서 상대압(P/P0)에 따른 기체의 흡착 양을 나타낸 곡선인데요. 다양한 결과를 얻기 위한 BET 분석의 가장 기초적인 데이터 입니다.

간혹 흡착등온곡선의 결과는 비표면적 측정과 기공 분석의 Method 에만 대입하여 활용한다고 생각하시는 분들이 많습니다. 그러나 사실 이 그래프 만으로도 시료의 기공 특성을 어느정도 예측할 수 있다는 사실 알고 계셨나요?

이번 포스팅에서는 놓치기 쉽지만 아주 중요한 정보를 담고 있는 흡착곡선의 개형과 해석 방법을 간단히 소개해 드리겠습니다.

흡착 메커니즘의 단계적 변화

기체의 흡착 양은 상대 압력이 상승하면 같이 증가합니다. 이때 어떤 압력 범위에서 주로 흡착이 이루어지느냐에 따라 기공 구조를 추측할 수 있습니다. 기체 흡착 메커니즘이 단계적 양상을 띄기 때문입니다.

낮은 상대압 영역( 0 < P/Po < 0.1 )
– 흡착 기체와 흡착제의 물리/화학적 상호작용이 지배적인 영역
– 단층 흡착이 주로 일어나며, 강한 상호작용이 가능한 미세 기공 (Micropore, pore size < 2 nm) 위주의 흡착

중간 상대압 영역 ( 0.1 < P/Po < 0.5 )
– 다중 흡착이 시작되는 구간
– 물리적 상호작용의 영향이 증가하며, 메조 기공(Mesopore, 2 nm < pore size < 50 nm) 위주의 흡착

높은 상대압 영역 ( 0.5 < P/Po < 1.0 )
– 강한 압력으로 모세관 응축이 발생
– 메조 기공과 마크로 기공(Macropore, pore size > 50 nm) 위주의 흡착

흡착등온선의 기본 유형과 기공 특성

아래 그림은 국제 순수∙응용 화학 연합 (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)에서 분류하는 흡착등온선의 6가지 기본 유형입니다.

다양한 흡착등온곡선의 이력(hysterisis)

흡착 메커니즘은 상대압에 따라 단계적으로 변화하기 때문에 시료의 종류에 따라서 다양한 모양의 곡선이 그려지는 것을 알 수 있는데요. 그 형태에 따라 다음과 같이 소재의 표면의 특성에 대해서 예측할 수 있습니다.

TIP

실제 분석 결과의 형태와 다를 수 있습니다.

 

구분 특징 소재 예시
Type. I 낮은 상대압 영역에서 급격히 흡착량이 증가한 후 평형을 이룬다 활성탄, 제올라이트, MOF 등
Type. II 단층 흡착 → 평형 → 다층 흡착 순서로 진행되며 S자 곡선 형태를 보인다 실리카겔, 금속산화물
Type. III 비다공성이나 흡착질과의 상호작용이 약한 경우, 높은 상대압 구간에서 흡착 양의 가파른 증가를 보인다 활성 알루미나, 흑연
Type. IV Type Ⅱ와 유사한 형태를 보이지만 모세관 응축 현상으로 인해 높은 상대압 구간에서 히스테리시스 (hysteresis)가 나타난다 SBA-15, MCM-41
Type. V 약한 상호작용으로 인해 Type Ⅲ와 유사한 형태를 보이지만, 메조 기공으로 인한 응축현상으로 히스테리시스를 보인다 메조포러스 실리카, CNT
Type. VI 다층 흡착이 단계적으로 일어나며 흡착층이 형성되는 특정 상대압에서 흡착량이 급격히 증가해 계단형 형태를 보인다 그래핀, 표면이 매끈한 금속

유의사항

위와 같이 흡착등온곡선을 해석하는 것은 소재 구조를 파악하는 데 아주 유용한 정보가 될 수 있습니다.

하지만 BET 분석은 이론적으로 접근하는 분석 방법인 만큼 결과의 왜곡이 발생할 가능성이 있으니 항상 유의하여 결과를 해석하는 것이 좋을 것 같습니다.

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