Aplikasi Populer

🔥 Selamat datang di Aplikasi Populer — Jelajahi tren terbaru tentang france-vs-netherlands-betting!

Analisis Luas Permukaan Menggunakan Metode Brunauer-Emmett-Teller (BET): Seri Prosedur Operasi Ilmiah: SOP-C

Abstrak

Banyak sifat intrinsik unik yang terkait dengan nanomaterial muncul dari rasio luas permukaan terhadap volume yang besar dari material yang sangat kecil ini. Sifat luas permukaan juga dapat terkait dengan nasib lingkungan dan implikasi bahaya; oleh karena itu, mengukur luas permukaan secara akurat sangat penting untuk karakterisasi material. Metode yang paling umum digunakan untuk mengukur luas permukaan nanomaterial adalah metode adsorpsi permukaan Brunauer-Emmett-Teller (BET). Protokol ini telah dikembangkan untuk menjelaskan teori, aplikasi, keterbatasan, dan persyaratan persiapan sampel untuk memungkinkan penggunaan metode BET yang lebih akurat, presisi, dan terinformasi. Dua material (nano aluminium oksida dan nano graphene) diuji melalui analisis BET contoh untuk memberikan contoh metodologi dan cara menerapkannya untuk analisis luas permukaan. Meskipun persyaratan spesifik untuk analisis BET akan bervariasi dengan model instrumen dan pabrikan yang berbeda, tujuan protokol ini adalah untuk memberikan pemahaman dasar tentang langkah-langkah yang terlibat, cara melakukannya secara berulang dan andal, serta memberikan teori di balik analisis.

1. Pendahuluan

Prosedur Operasi Standar (SOP) yang dijelaskan di sini untuk menilai sifat nanoteknologi dikembangkan di bawah Tugas 2: Metode Ilmiah yang Dioptimalkan dari program penelitian Konsekuensi Lingkungan dari Nanoteknologi. Tujuan utama Tugas ini adalah untuk mengembangkan SOP yang kuat untuk menyelidiki sifat terkait kesehatan dan keselamatan lingkungan (EHS) dari nanoteknologi termasuk nanomaterial dan produk yang mengandung nanomaterial. SOP ini menjelaskan cara menentukan luas permukaan nanomaterial bubuk menggunakan metode adsorpsi gas nitrogen Brunauer-Emmett-Teller (BET), termasuk diskusi tentang kekuatan dan kelemahan metode ini serta panduan umum untuk penerapannya. Dua material (nano aluminium oksida dan nano graphene) diuji melalui langkah-langkah analisis BET menggunakan penganalisis luas permukaan BET Nova 3200e sebagai demonstrasi teknik dan metode yang terlibat.

1.1 Latar Belakang

1.1.1 Sejarah Analisis BET

Ketika ukuran partikel mengecil, rasio luas permukaan terhadap volume total partikel meningkat. Berbeda dengan material curah, di mana sebagian besar atom yang membentuk material berada di dalam volume interior, banyak nanomaterial sebagian besar terdiri dari atom permukaan. Reaksi yang terjadi di permukaan material (misalnya, disolusi, oksidasi, foto-eksitasi, dll.) akibatnya lebih menonjol pada nanomaterial yang didominasi permukaan. Penentuan luas permukaan yang akurat juga dapat memberikan kemampuan untuk memprediksi nasib lingkungan, transformasi, dan dosimetri untuk penilaian bahaya. Relevansi bahaya dari berbagai metrik dosis, termasuk luas permukaan, dapat ditentukan menggunakan alat NanoExpert. Selain itu, telah disarankan bahwa luas permukaan spesifik volume mungkin merupakan indikator yang lebih cepat dari sifat unik nano daripada ukuran partikel. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengkarakterisasi luas permukaan spesifik nanomaterial secara akurat untuk sepenuhnya memahami peran mereka dalam nanoteknologi terkait. Cara yang paling umum diterima untuk mengkarakterisasi luas permukaan adalah analisis luas permukaan BET, dinamai berdasarkan Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett, dan Edward Teller, penulis makalah tahun 1938 yang mengawali teori di balik proses adsorpsi multi-molekul yang digunakan untuk menentukan luas permukaan. Karya Brunauer, Emmett, dan Teller memperluas konsep adsorpsi Langmuir ke beberapa lapisan molekul, memungkinkan pengukuran fenomena adsorpsi untuk dikorelasikan dengan sifat yang relevan secara fisik dari suatu material seperti luas permukaan total, distribusi ukuran pori, analisis pori mikro, dan porositas.

1.2 Asumsi BET

Seperti halnya teori apa pun, penting untuk memahami asumsi yang mendasari analisis BET untuk memungkinkan penggunaan data yang diperoleh dengan metode ini secara percaya diri. Permukaan homogen: Mirip dengan adsorpsi Langmuir, adsorpsi BET mengasumsikan bahwa permukaan material homogen dan adsorpsi terjadi secara merata di seluruh permukaan tanpa tempat sorpsi preferensial. Setiap tempat adsorpsi tidak terisi atau terisi dengan satu molekul adsorbat (maksimum satu molekul per tempat sorpsi). Adsorpsi total kemudian dapat dinyatakan sebagai fraksi cakupan permukaan. Interaksi molekuler terbatas: Setelah teradsorpsi, molekul kemudian dapat bertindak sebagai satu tempat sorpsi untuk molekul gas lain. Tidak ada interaksi antar-molekul lain yang dipertimbangkan, termasuk interaksi lateral antara molekul teradsorpsi, interaksi antara molekul fase gas, atau interaksi non-sorpsi antara gas dan molekul fase teradsorpsi. Kesetimbangan lokal: Lapisan paling atas (baik tempat sorpsi permukaan atau molekul teradsorpsi) berada dalam kesetimbangan dengan molekul fase gas/uap. Laju adsorpsi sama dengan laju desorpsi, tanpa perubahan bersih dalam jumlah molekul teradsorpsi pada tekanan uap tertentu (sistem jenuh). Proses terbatas kinetika: Laju reaksi dibatasi oleh kinetika daripada kendala difusi, dan agar reaksi dapat berlangsung, energi harus diberikan dalam bentuk panas. Untuk lapisan adsorpsi permukaan, jumlah energi yang diperlukan sama dengan panas adsorpsi, sementara setiap lapisan berikutnya diperlakukan sebagai cairan terkondensasi dan energi yang diperlukan sama dengan panas kondensasi, atau panas pencairan. Proses kinetik ini homogen di seluruh material (setiap lapisan molekul memerlukan energi yang sama untuk adsorpsi). Adsorpsi tak terbatas pada saturasi: Setelah tekanan saturasi (p0) tercapai, jumlah lapisan teradsorpsi cukup besar sehingga material dianggap sepenuhnya dikelilingi oleh adsorbat fase cair terkondensasi.

1.3 Teori BET

Dengan menggunakan asumsi ini, adsorpsi dapat dimodelkan untuk setiap lapisan teradsorpsi menggunakan persamaan Arrhenius untuk menentukan laju kinetik adsorpsi/desorpsi berdasarkan fraksi cakupan permukaan. Persamaan BET umum untuk adsorpsi gas kemudian dapat dijelaskan sebagai berikut: v = v_m c p / ((p0 - p)[1 + (c - 1)(p/p0)]) (1). Di sini v adalah volume gas yang teradsorpsi, v_m adalah volume monolayer teradsorpsi, p adalah tekanan gas kesetimbangan, p0 adalah tekanan saturasi, dan c adalah konstanta BET. Persamaan ini kemudian dapat diatur ulang sebagai fungsi linier dari p/p0 sebagai berikut: 1/(v[(p/p0) - 1]) = (c-1)/(v_m c) (p/p0) + 1/(v_m c) (2). Perpotongan y dan kemiringan fungsi ini kemudian dapat digunakan untuk menyelesaikan konstanta c (=kemiringan/perpotongan +1) dan v_m (=1/(kemiringan+perpotongan). Luas permukaan spesifik (S, luas permukaan per satuan massa) kemudian dapat ditemukan dengan persamaan: S = (v_m N A) / (22.400 m) (3). Konstanta N adalah bilangan Avogadro (jumlah molekul per mol), A adalah luas penampang permukaan dari satu molekul gas teradsorpsi, m adalah massa nanomaterial yang digunakan dalam pengukuran, dan 22.400 mewakili volume STP (Suhu dan Tekanan Standar) dari satu mol gas. Luas permukaan ini diberikan dalam satuan luas/massa (misalnya, m²/g), yang dapat dikonversi menjadi luas permukaan spesifik volume dengan mengalikan dengan densitas material.

1.4 Lingkup

SOP ini digunakan untuk menyelidiki luas permukaan spesifik nanomaterial bubuk yang digunakan dalam nanoteknologi. Ini berlaku untuk berbagai kelas nanomaterial termasuk fullerena, tabung/kawat nano, logam, semikonduktor, komposit, organik, dan hampir semua nanomaterial lain yang dapat diukur dalam bentuk kering/bubuk. Dokumen ini tidak dimaksudkan untuk menggantikan instruksi operasional dari setiap instrumen analisis BET individual, tetapi lebih dimaksudkan sebagai dokumen panduan untuk persiapan sampel yang seragam dan untuk mengidentifikasi prosedur umum yang umum di berbagai instrumen. Perhatikan bahwa sebagian besar metode BET standar memerlukan beberapa miligram material kering, yang menghilangkan analisis partikel tersuspensi atau sampel kecil. Ada teknik pengukuran luas permukaan alternatif yang dapat mengatasi beberapa tantangan ini, seperti metode adsorpsi metilen biru yang dijelaskan oleh He dan Tebo (1998).

2. Terminologi

2.1 Dokumen Terkait

Dokumen ini dimaksudkan untuk memberikan gambaran umum tentang teori, aplikasi, dan penggunaan BET. Ada beberapa publikasi yang tersedia dari American Society for Testing Materials (ASTM) yang memberikan panduan yang lebih spesifik tentang analisis BET dari berbagai jenis material. Beberapa contoh kunci meliputi: ASTM B922-10 Metode Uji Standar untuk Luas Permukaan Spesifik Serbuk Logam dengan Adsorpsi Fisik; ASTM D6556-14 Metode Uji Standar untuk Carbon Black — Luas Permukaan Total dan Eksternal dengan Adsorpsi Nitrogen; ASTM C1069-09(2014) Metode Uji Standar untuk Luas Permukaan Spesifik Alumina atau Kuarsa dengan Adsorpsi Nitrogen; ASTM D1993-03(2013) Metode Uji Standar untuk Silika Terendapkan — Luas Permukaan dengan Adsorpsi Nitrogen BET Multipoint; ASTM C1274-12 Metode Uji Standar untuk Luas Permukaan Spesifik Keramik Canggih dengan Adsorpsi Fisik.

2.2 Definisi

adsorpsi, v — proses di mana atom, ion, atau molekul tertarik dan dipertahankan di permukaan padatan atau cairan. isoterm adsorpsi, n — plot jumlah material teradsorpsi terhadap konsentrasi material kesetimbangan (atau tekanan parsial) pada suhu konstan. monolayer, n — satu lapisan atom atau molekul yang tersusun rapat teradsorpsi ke permukaan material, sehingga setiap tempat sorpsi terisi dengan tepat satu molekul teradsorpsi. ruang pori, n — area kosong atau tidak terisi dalam material yang dapat diakses untuk reaksi dan/atau adsorpsi. saturasi, n — konsentrasi (atau tekanan parsial) di mana tidak ada adsorpsi lebih lanjut yang terjadi dengan meningkatnya konsentrasi.

2.3 Akronim

- BET – Brunauer, Emmett, dan Teller
- SOP – Prosedur Operasi Standar

3. Bahan dan Alat

3.1 Bahan

- Nitrogen cair
- Gas helium (99,9% murni)
- Gas nitrogen (99,999% murni)
- Instrumen analisis luas permukaan BET termasuk: sistem vakum (10⁻⁴ Torr), alat pemanas, pengukur tekanan
- Tempat sampel (bulb) dengan volume yang diketahui
- Neraca laboratorium presisi (presisi <0,1 mg lebih disukai)

3.2 Alat

Ada berbagai instrumen analisis BET yang tersedia secara komersial dari banyak pabrikan berbeda. Beberapa yang lebih menonjol meliputi: Micromeritics, Quantachrome, Porous Materials, Inc.

4. Prosedur

Prosedur spesifik untuk instrumen analisis BET akan bervariasi, dan disarankan agar pengguna mengikuti instruksi yang disediakan oleh pabrikan. Prosedur yang diuraikan di bawah ini dimaksudkan untuk memiliki penerapan umum. Di mana instruksi khusus instrumen diberikan, perhatikan bahwa instrumen yang digunakan untuk analisis ini adalah penganalisis luas permukaan Quantachrome Instruments Nova 3200e. Secara umum, analisis BET memerlukan: pengukuran massa sampel yang cermat, degassing sampel menggunakan panas dan vakum, pengukuran adsorpsi, dan analisis pengukuran untuk analisis.

4.1 Persiapan Spesimen

Analisis BET memerlukan sampel yang bersih, murni, dan kering. Sebelum analisis, sampel dapat dibiarkan dalam desikator atau oven pada suhu rendah untuk memastikan bahwa sampel memiliki sedikit uap air yang tersisa. Setelah sampel siap untuk analisis, langkah selanjutnya adalah mencatat secara hati-hati massa sampel yang dimasukkan ke dalam sistem pengukuran. Sebagian besar penganalisis BET menggunakan tempat sampel tabung kaca dengan sisipan batang (untuk mengurangi volume total tabung). Seringkali tempat kaca memiliki bola kecil di ujung tabung untuk menampung sampel. Saat mengukur sampel, pastikan ada cukup sampel untuk mengukur massa yang akurat, tetapi tidak terlalu banyak sehingga memenuhi tempat sampel. Seringkali bermanfaat untuk mencatat juga massa tabung sampel kaca yang bersih, kosong, dan kering. Catat massa sampel yang dimasukkan ke dalam tabung untuk analisis nanti. Setelah sampel diukur ke dalam tabung sampel dan massa dicatat, sampel harus di-degas. Ini dapat dilakukan secara terpisah dengan memasang tabung ke pompa vakum dan memanaskan tabung untuk melepaskan uap air (biasanya ~100–110 °C), atau seringkali dapat dilakukan dengan instrumen analisis BET. Perhatikan bahwa tergantung pada instrumen, beberapa penganalisis BET memiliki port degassing terpisah dan beberapa memungkinkan degassing dan analisis menggunakan port yang sama. Biarkan sampel degas selama minimal 1 jam (seringkali lebih baik membiarkan beberapa jam, atau semalaman, terutama jika sampel tidak sepenuhnya kering) sebelum memulai analisis.

4.2 Analisis

Analisis umumnya dilakukan oleh instrumen analisis BET, sesuai dengan spesifikasi yang dimasukkan oleh pengguna. Untuk spesifikasinya, konsultasikan manual pengguna untuk instrumen masing-masing. Untuk instrumen Quantachrome yang digunakan dalam analisis contoh, sampel direndam dalam bak nitrogen cair saat instrumen melakukan uji adsorpsi nitrogen. Seperti disebutkan dalam Bagian 2.2, proses adsorpsi terbatas secara kinetik, dan suhu dingin nitrogen cair memfasilitasi kesetimbangan kinetik yang cepat. Instrumen harus dikalibrasi menggunakan tabung uji sampel yang sama yang digunakan untuk analisis. Selama pengujian sebenarnya, instrumen akan memasukkan jumlah gas nitrogen ultra-murni yang diketahui ke dalam tabung sambil mencatat tekanan (P/P0), ini memungkinkan pembuatan plot persamaan 2 dan menentukan parameter di dalamnya.

5. Pelaporan

5.1 Analisis Hasil

Data mentah yang disediakan oleh instrumen penganalisis BET dalam bentuk tabel yang menunjukkan volume gas (nitrogen) yang dimasukkan per massa sampel (cc/g), bersama dengan tekanan relatif (P/P0) selama analisis. Tabel 1 menunjukkan contoh data untuk dua sampel: nano aluminium oksida luas permukaan tinggi dan bubuk graphene skala nano.

Nano Aluminium Oksida | Nano Graphene
Tekanan Relatif (P/P0×10⁻²) | Volume (cc/g) | Tekanan Relatif (P/P0×10⁻²) | Volume (cc/g)
6,86 | 49,69 | 4,69 | 11,24
9,91 | 53,15 | 9,94 | 17,81
15,18 | 58,44 | 15,0 | 23,66
20,07 | 62,85 | 20,0 | 29,37
25,05 | 67,24 | 25,0 | 35,49
30,04 | 71,67 | 30,0 | 42,64
Gambar 1 menunjukkan data yang diplot dari Tabel 1. Volume nitrogen diplot sebagai fungsi tekanan relatif seperti yang diukur selama analisis permukaan BET nano aluminium oksida (atas) dan nano graphene (bawah), diukur menggunakan penganalisis luas permukaan Quantachrome Nova 3200e.

5.2 Hasil Utama yang Diberikan

Data dalam Tabel 1 dapat digunakan untuk menghitung luas permukaan spesifik massa dari material yang diukur sesuai dengan persamaan 2 dan 3. Sebagian besar instrumen menyertakan perhitungan ini secara otomatis sebagai bagian dari perangkat lunak. Untuk data yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 1, instrumen melaporkan luas permukaan 223,13 m²/g untuk aluminium oksida dan 167,94 m²/g untuk nano graphene. Selain itu, BET dapat digunakan dalam perhitungan luas permukaan spesifik volume, yang memberikan definisi komplementer dari nanomaterial terhadap kisaran ukuran arbitrer 1 hingga 100 nm. Kreyling et al (2010) menyediakan metode dan detail tambahan tentang manfaat perhitungan tersebut. Mereka menyimpulkan bahwa luas permukaan spesifik volume lebih besar dari atau sama dengan 60 m²/cm³ adalah definisi praktis dari nanomaterial.

Referensi

Brunauer, S., P. H. Emmett, dan E. Teller. 1938. Adsorpsi Gas dalam Lapisan Multimolekul. Journal of the American Chemical Society 60(2): 309–319. doi: 10.1021/ja01269a023.

He, L. M., dan B. M. Tebo. 1998. Sifat Muatan Permukaan dan Adsorpsi Cu (II) oleh Spora dari Strain Bacillus Laut SG-1. Applied and Environmental Microbiology 64(3): 1123–1129.

Hull, M., A. J. Kennedy, C. Detzel, P. Vikesland, dan M. A. Chappel. 2012. Melampaui Massa: Kebutuhan yang Belum Terpenuhi untuk Mempertimbangkan Metrik Dosis dalam Studi Nanotoksikologi Lingkungan. Environmental Science and Technology 46(20): 10881–10882. doi 10.1021/es3035285.

Kennedy, A. J., M. S. Hull, S. Diamond, M Chappell, A. J. Bednar, J. G. Laird, N. L. Melby, dan J. A. Steevens. 2015. Mendapatkan Massa Kritis: Studi Konversi Metrik Dosis Menggunakan Nanopartikel Perak. Environmental Science and Technology 49(20): 12490–12499.

Kreyling, W. G., M. Semmler-Behnke, dan Q. Chaudhry. 2010. Definisi Komplementer dari Nanomaterial. Nano Today 5(3): 165–168. doi:10.1016/j.2010.03.004.

Langmuir, I. 1918. Adsorpsi Gas pada Permukaan Datar Kaca, Mika, dan Platina. Journal of the American Chemical Society 40(9): 1361–1403.

Keamanan dimulai dengan memahami cara developer mengumpulkan dan membagikan data Anda. Praktik privasi dan keamanan data dapat bervariasi berdasarkan penggunaan, wilayah, dan usia Anda.

T: Bagaimana cara mengunduh Aplikasi Populer?
J: Cukup klik tombol instal berwarna hijau di bagian atas dan ikuti instruksi amannya.

T: Apakah data saya aman di Aplikasi Populer?
J: Ya, Aplikasi Populer menggunakan enkripsi tingkat bank untuk melindungi semua data pribadi Anda.