SiCOPE40微孔分析儀：賦能COFs材料多級(jí)孔精準(zhǔn)表征應(yīng)用

       共價(jià)有機(jī)框架（COFs）材料作為一類(lèi)由有機(jī)分子通過(guò)共價(jià)鍵連接形成的晶態(tài)多孔材料，憑借孔道穩(wěn)定可調(diào)、超高的比表面積及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在氣體吸附分離、催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用價(jià)值。COFs材料的性能評(píng)估（如氣體吸附容量、催化活性位點(diǎn)利用率）與材料的比表面積和孔徑分布等參數(shù)直接相關(guān)。

國(guó)儀量子SiCOPE 40作為專為微孔材料表征設(shè)計(jì)的比表面積及孔徑分析儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)0.35-2 nm 孔徑范圍的精準(zhǔn)表征分析，為 COFs 材料的表征提供了可靠的解決方案。本文將結(jié)合實(shí)際測(cè)試案例詳細(xì)闡述SiCOPE 40在COFs 材料表征中的應(yīng)用，同時(shí)提供針對(duì)性的測(cè)試方案，助力科研與工業(yè)用戶解決COFs 表征中的核心技術(shù)痛點(diǎn)。

一、COFs 材料比表面積及孔徑分析表征的核心需求與技術(shù)難點(diǎn)

COFs 材料的多孔結(jié)構(gòu)具有 “晶態(tài)有序、孔徑可調(diào)、高比表面積"典型特征，其表征需求主要集中在比表面積精準(zhǔn)測(cè)試、微孔分析及全孔徑分布分析等維度，但傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備在面對(duì)這些需求時(shí)，常面臨“微量樣品測(cè)試不準(zhǔn)"“多級(jí)孔分辨能力弱"“低壓力段數(shù)據(jù)波動(dòng)大" 等技術(shù)難點(diǎn)。

在比表面積表征方面，COFs材料的高比表面積主要來(lái)源于微孔分布，需要精準(zhǔn)分析微孔段等溫線。傳統(tǒng)設(shè)備由于低壓力段控氣精度不足且BET選點(diǎn)依賴人工操作導(dǎo)致測(cè)試精度難以控制，無(wú)法滿足COFs材料高準(zhǔn)確性比表面積表征的需求。在孔徑分析方面，COFs材料中微孔的孔徑多集中在 0.5-2 nm 區(qū)間，傳統(tǒng)設(shè)備常出現(xiàn)低壓段數(shù)據(jù)失真波動(dòng)大，氦氣前置標(biāo)定可能造成氦氣在微孔內(nèi)的殘留而干擾微孔測(cè)試結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確獲取微孔分布數(shù)據(jù)，難以完整反映COFs 材料的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)特征。

針對(duì)上述難點(diǎn)，SiCOPE 40微孔分析儀依托精密管路設(shè)計(jì)、高品質(zhì)核心部件、多模型數(shù)據(jù)分析及靈活預(yù)處理方案，構(gòu)建了一套適配 COFs 材料的完整比表面積及孔徑分析表征體系，以下結(jié)合實(shí)際測(cè)試案例進(jìn)行具體說(shuō)明。

二、SiCOPE 40微孔分析儀在 COFs 材料表征中的應(yīng)用案例

COF-616 作為COFs材料中極具應(yīng)用潛力的分支，具備共價(jià)鍵構(gòu)建的穩(wěn)定骨架、“微孔-介孔"多級(jí)孔協(xié)同結(jié)構(gòu)和超高比表面積等核心優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)與應(yīng)用場(chǎng)景的精準(zhǔn)匹配——高比表面積提供活性位點(diǎn)，穩(wěn)定孔道保障物質(zhì)傳輸效率，微孔-介孔分布平衡吸附容量與擴(kuò)散速率。

2.1 COFs 材料等溫線分析

等溫線是判斷材料孔徑分布的核心依據(jù)，其曲線形態(tài)直接關(guān)聯(lián)孔結(jié)構(gòu)特性。此COF-616的N?吸附-脫附等溫線呈現(xiàn) IV 型等溫線特征，在低壓段（P/P?＜0.1）出現(xiàn)明顯的吸附量突增，表明材料含有豐富微孔結(jié)構(gòu)，氣體在微孔內(nèi)發(fā)生微孔填充與單層-多層吸附，吸附量快速上升；中高壓段（P/P?＞0.4）吸附量緩慢增加，對(duì)應(yīng)介孔內(nèi)的毛細(xì)凝聚過(guò)程，脫附曲線與吸附曲線形成H4型回滯環(huán)，呈現(xiàn)典型的微孔-介孔復(fù)合材料特征。

圖1 COF-616的N2-吸附脫附等溫線

2.2 COFs 材料比表面積及孔徑分布分析

測(cè)試報(bào)告顯示，COF-616的 BET比表面積高達(dá)1175.43 m2/g，高比表面積主要來(lái)源于微孔結(jié)構(gòu)，這也是其具備優(yōu)異吸附潛力的核心原因。BET 比表面積是評(píng)估 COFs 材料吸附能力的關(guān)鍵指標(biāo)，其準(zhǔn)確性依賴于低壓力段數(shù)據(jù)的可靠性與線性區(qū)間的合理選擇。本次測(cè)試中，SiCOPE 40的BET一鍵智能選點(diǎn)功能解決了傳統(tǒng)設(shè)備中 “微孔材料 BET 段前移" 的選點(diǎn)難題，無(wú)需人工干預(yù)即可自動(dòng)選取合適的線性區(qū)間，避免人工選點(diǎn)偏差。

圖2 COF-616的比表面積測(cè)試結(jié)果

COF-616的微孔孔徑分布直接影響吸附選擇性能，Horvath-Kawazoe（HK）法是分析微孔孔徑分布的經(jīng)典方法。測(cè)試報(bào)告顯示，COF-616的 HK微孔孔徑分布集中在 0.75-1.0 nm 區(qū)間，可結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分子篩分效應(yīng)以 提升材料的吸附選擇性。

圖3 COF-616的HK孔徑分布圖

2.3 COFs 材料NLDFT 全孔徑分析

COF-616 材料常設(shè)計(jì)為 “微孔富集活性位點(diǎn)+介孔加速傳質(zhì)" 的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。非定域密度泛函理論（NLDFT）可覆蓋 0.35-500 nm 全孔徑范圍，實(shí)現(xiàn)微孔與介孔數(shù)據(jù)的銜接分析。

NLDFT分析報(bào)告顯示此COF-616材料的總孔容達(dá) 0.849 cm3/g，并且精準(zhǔn)分析出 “微孔容（≤2nm）0.096 cm3/g（占比 11.33%）+介孔容（2-50nm）0.753 cm3/g（占比 88.67%）"，這一比例進(jìn)一步確認(rèn)COF-616材料 “微孔存貯/吸附+介孔傳質(zhì)" 的多級(jí)孔協(xié)同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。不同孔結(jié)構(gòu)的存在可提升催化與吸附過(guò)程中的傳質(zhì)效率，為其在氣體儲(chǔ)存與分離、催化等領(lǐng)域的應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

圖4 COF-616的NLDFT孔徑分布圖

三、SiCOPE 40微孔分析儀表征COFs 材料的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì) COFs 材料的表征需求，SiCOPE 40通過(guò)多維度技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建了 “精準(zhǔn)、高效、穩(wěn)定" 的測(cè)試體系，其核心優(yōu)勢(shì)可歸納為以下三點(diǎn)：

超高測(cè)試精度：SiCOPE 40最可幾孔徑重復(fù)偏差≤0.02 nm，比表面積重復(fù)精度≤1%，確保低壓段數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，采用He-Free 自由空間后置標(biāo)定方案，先完成吸附/脫附測(cè)試，再進(jìn)行自由空間標(biāo)定，從源頭消除氦氣在微孔內(nèi)的殘留干擾，避免超微孔測(cè)試結(jié)果偏差。

全面分析能力：SiCOPE 40內(nèi)置 BET、Langmuir、t-Plot、HK、BJH、NLDFT 等多種數(shù)據(jù)分析模型，可覆蓋 COFs 材料的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)分析需求。針對(duì) COFs 材料的高比表面積特征，設(shè)備的 BET 一鍵智能選點(diǎn)功能可自動(dòng)識(shí)別適合的線性區(qū)間，解決傳統(tǒng)設(shè)備中人工選點(diǎn)導(dǎo)致的結(jié)果偏差問(wèn)題；同時(shí)，NLDFT模型支持自動(dòng)生成 “微孔-介孔-大孔" 的孔容占比分析，無(wú)需手動(dòng)計(jì)算，大幅提升數(shù)據(jù)分析效率。

靈活樣品預(yù)處理：SiCOPE 40提供原位與異位雙脫氣方案，適配不同類(lèi)型 COFs 的預(yù)處理需求。對(duì)于空氣敏感型材料，SiCOPE 40支持原位脫氣，避免樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程中與空氣接觸。常規(guī)材料可采用獨(dú)立六站樣品預(yù)處理機(jī)進(jìn)行異位脫氣，可同時(shí)處理多種熱穩(wěn)定性差異較大的 COFs 樣品，大幅提升測(cè)試效率。此外可配備空氣隔離塞與真空隔離塞，針對(duì)空氣敏感型樣品與微孔樣品，可分別在回填氣保護(hù)與真空狀態(tài)下轉(zhuǎn)移樣品，進(jìn)一步保障測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。