Gas Adsorption Measurement Analysis of Surface Area and Porosity

MicrotracBELは、ガスおよび蒸気吸着量、BET比表面積、細孔径分布を測定するためのさまざまな分析装置を開発、製造、販売しているリーディングカンパニーです。測定機器は、ガス吸着技術を使用して、多孔質および非多孔質の粉粒体材料を分析します。 MicrotracBELの製品は、研究開発(R&D)、品質管理(QC)、品質保証(QA)で世界中で使用されています。

なぜ、ガス吸着法が必要なのか？

気体分子は、ファンデルワールス力などの相互作用によって固体表面に引きつけられ、その界面に集まる（濃縮する）ことがあります。この現象を”吸着 ”と呼びます。 一定の温度のもとで、圧力を変えながら気体の吸着量を調べることで、多孔性材料の構造を評価できます。たとえば、次のような特性が求められます。

• 比表面積（BET法 など）
• 細孔径分布（BJH法、SF法といった従来法や、GCMC・DFT 法などの新しい解析法）
• 全細孔容積（Gurvich 則 など）

• 吸着材（活性炭など）：表面積が大きいほど吸着量が増える
• 触媒：表面積が大きいほど反応に有効な活性点が多くなる
• 電池材料：表面積が大きいほどエネルギー密度やイオン輸送に有利
• 医薬品：表面積が大きいほど水中での溶解が速くなる

ガス吸着測定法と標準規格

コア技術：マノメトリック法（定容量法）

ガス吸着測定で最も広く用いられるのが、マノメトリック法（定容量法）です。この方法では、あらかじめ体積が分かっている吸着ガス（通常は窒素またはアルゴン）を真空下で試料に導入し、試料に吸着する過程で生じる圧力変化から吸着量を測定します。測定によって得られる吸着等温線（吸着量と相対圧 P/P₀ の関係）を利用して、各種解析を行います。 主な測定の流れ:

• 前処理 (脱気): 吸着等温線測定前に試料を加熱し、真空下で試料に吸着している水分や不純物を取り除きます。
• 吸着測定:物理吸着測定では、試料を液体窒素（77 K）または液体アルゴン（87 K）で冷却し、安定した低温環境下で測定を行うのが一般的です。
• 吸着平衡: 吸着点ごとに少量のガスを導入し、吸着平衡（吸着量変化／圧力変化が無い状態）に達した際の圧力（平衡圧）と吸着量を測定します。

標準規格

ISO9277（BET理論）

Brunauer–Emmett–Teller（BET）法は、比表面積を算出するうえで、信頼性の高い標準的な手法です。この方法は吸着層が多分子層を形成することを仮定しているため、II型、IV型の吸着等温線では 相対圧（P/P₀ ）が 0.05～0.30の範囲（ただし、I型の吸着等温線は例外）で適用されます。 BET比表面積は、BETプロットから取得した単分子吸着量を基に、以下のパラメータを使用して計算されます。

• 吸着質の分子占有断面積 (例：窒素分子 N₂ は 0.162nm²)
• アボガドロ定数
• 標準状態でのモル体積

ISO15901-2（毛管凝縮理論：BJH法など）

Barrett–Joyner–Halenda（BJH）法は、吸着等温線の脱着過程（脱着曲線）を解析することで、メソ孔（細孔径2～50 nm）の細孔径分布を求める代表的な手法です。この手法では、細孔形状を円筒状と仮定して、毛管凝縮によって生じる圧力変化と細孔径の関係をケルビン方程式に基づいて解析し、厚み（ｔ）の補正を行うことで細孔径分布を算出します。理想的な円筒状の材料であれば、脱着枝から細孔径分布を求めることができます。 BJH法は、以下のような材料に適しています。

• シリカゲル
• 多孔質ガラス
• メソポーラスシリカ　など

ISO15901-2（熱統計力学モデル：GCMC法とDFT(NLDFT/QSDFT）法）

密度汎関数法（DFT）、非局在化密度汎関数法（NLDFT）、クエンチドソリッド DFT（QSDFT）ならびにグランドカノニカルモンテカルロ(GCMC)法、は熱統計力学に基づき、多孔質材料へのガス吸着をモデル化した高度な細孔径分布解析手法です。

従来法とは異なり、GCMC法やDFT法は、さまざまな細孔形状・細孔径において、細孔内密度（吸着量）を正確に算出することができます。特に、活性炭やゼオライトのようなミクロ孔材料やミクロ孔からメソ孔を持つ材料の細孔径分布を高精度に評価できることが特長です。

主な特長

• 高分解能な細孔径分布解析
• 多様な吸着質や細孔形状に対応
• 解析ソフトウェアBELMasterには59種類ものカーネルライブラリを搭載

ISO15901-2（吸着質の選択）

ガス吸着測定では、使用するガスによって材料の表面状態や測定できる細孔径吸着ガスの選択は、材料の表面状態や細孔へのアクセス性に影響を与えるため、非常に重要です。The selection of gas affects sensitivity and pore accessibility:

• Nitrogen (N₂, 77 K): Standard for BET and mesopore analysis. Well-characterized and widely accepted.
• Argon (Ar, 87 K): Preferred for micropore analysis due to its non-polar nature and smoother adsorption behavior.
• Krypton (Kr, 77 K): Used for low surface area materials (<1 m²/g). Its low saturation pressure increases sensitivity for small sample surfaces.
• Carbon Dioxide (CO₂, 273 K or 298 K): Ideal for probing ultra-micropores (<0.7 nm), which are often inaccessible to nitrogen at 77 K due to kinetic restrictions and slower diffusion rates.