La théorie BET sert à mesurer la superficie d’un solide ou de matières poreuses. Il fournit des informations importantes sur leur structure physique, car la surface d'un matériau affecte la façon dont ce solide interagira avec son environnement. De nombreuses propriétés telles que les taux de dissolution, l'activité catalytique, la rétention d'humidité et la durée de conservation sont souvent corrélées à la surface d'un matériau. Critique pour la conception et la fabrication de solides, l'analyse de surface est l'une des méthodes les plus largement utilisées dans la caractérisation des matériaux. Cet article donne un aperçu de la procédure d'analyse de surface BET et de son application dans l'industrie.
Théorie BET
Détermination de la surface BET : principe de mesure
L'aire de surface d'un matériau peut être modifiée à la fois lors de la synthèse et du traitement. Lorsqu'une particule est divisée (broyée) en particules plus petites, des surfaces supplémentaires sont créées, augmentant ainsi sa surface spécifique. De même, lorsque des pores sont créés à l'intérieur de la particule, par dissolution, décomposition ou par d'autres moyens physiques ou chimiques, la surface est également augmentée. Des matériaux avec de nombreux pores étroits, tels que les charbons activés, peuvent avoir des surfaces de plus de 2 000 m2 dans un seul gramme. En utilisant la théorie BET, la surface spécifique ou réelle, y compris les irrégularités de surface et les parois des pores, d'une particule est déterminée à un niveau atomique par adsorption d'un gaz inerte. Parce que la plupart des gaz et des solides interagissent faiblement, le matériau solide doit être refroidi, généralement en utilisant un liquide cryogénique. La température de l'échantillon solide est maintenue constante, ou sous des conditions isothermes, tandis que la pression ou la concentration du gaz adsorbant est augmentée. La figure 1 représente un isotherme de surface typique, où l'axe des x représente la pression relative du gaz et l'axe des y son volume adsorbé sur l'échantillon.
Figure 1 : Exemple d'une isotherme de surface
Figure 2 : Représentation de la formation de monocouche
À mesure que la pression relative augmente, de plus en plus de molécules s'adsorbent à la surface. Une fine couche finira par recouvrir toute la surface (rouge foncé dans la Figure 2) en une seule ou monocouche. Le nombre de molécules de gaz dans la monocouche est enregistré à partir du volume adsorbé. Puisque la surface de section transversale de l'adsorbat est connue, la surface accessible peut être calculée. Cependant, l'adsorption de gaz en fonction de la pression ne suit pas une relation linéaire simple (comme le montre la Figure 1). Par conséquent, un modèle mathématique approprié doit être utilisé pour calculer la surface : l'équation BET.
Figure 3 : Représentation simplifiée d'un calcul de surface BET
Équation BET
L'équation BET (nommée d'après Brunauer, Emmett et Teller qui ont développé la théorie) a été publiée pour la première fois en 1938 (Brunauer, 1938), et continue d'être la méthode la plus largement utilisée pour déterminer le nombre de molécules/atomes d'un gaz nécessaires pour former une monocouche, Xm, de gaz adsorbé sur une surface solide (Thommes, 2015). L'équation BET (Équation 1) décrit la relation entre le nombre de molécules de gaz adsorbées (X) à une pression relative donnée (P/P0), où C est un deuxième paramètre lié à la chaleur d'adsorption.
Équation 1 : équation BET pour la mesure de la surface spécifique
L'équation BET décrit strictement un graphique linéaire de 1/[X(P0/P)-1] vs. P/P0 qui, pour la plupart des solides, en utilisant l'azote comme adsorbant, est limité à une région restreinte de l'isotherme d'adsorption, généralement dans la plage P/P0 de 0,05 à 0,35. Un tracé BET typique est présenté ci-dessous.
Figure 4 : Exemple d'un graphique de surface BET
L'aire surface, SA (Surface area), est calculée à partir de la pente et de l'ordonnée à l'origine selon l'Équation 2
Équation 2 : calcul de la surface spécifique
où CSA est la surface de section transversale de l'adsorbant (Lowell, 2004).
Applications du principe BET
Tout matériau solide peut être caractérisé par adsorption de gaz pour la détermination de sa surface. Les applications courantes dans lesquelles la connaissance de la surface est critique incluent la production et le traitement ultérieur du carbone, des produits pharmaceutiques, des catalyseurs, des batteries, des céramiques et des minéraux.
Noir de carbone
Noir de carbone
Le noir de carbone est l'un des matériaux de renforcement les plus utilisés dans la production de caoutchouc. Sa surface spécifique impacte ses performances dans différentes applications. Des surfaces plus grandes sont utilisées pour des applications à haute résistance à l'usure (bandes de roulement de pneus), tandis que les noirs de carbone à surface plus petite se caractérisent par une faible dureté et une faible résistance à la traction (et sont donc bien adaptés à une utilisation comme isolation de fils, par exemple).
Industrie pharmaceutique
Industrie pharmaceutique
De nombreux ingrédients de mélange de poudre pharmaceutique, y compris les principes actifs (API), les liants, les lubrifiants et les excipients, sont caractérisés par leur surface BET pour garantir une dissolution, une cohésion et une biodisponibilité optimales.
Catalyseurs
Catalyseurs
Les catalyseurs hétérogènes, principalement solides, sont utilisés dans de nombreux processus chimiques industriels et sont généralement composés d'une espèce réactive sur un support non réactif ou inerte. La surface des deux composants influence le taux et le rendement de la réaction, ce qui en fait une importance capitale pour les chercheurs et les fabricants.
Batteries
Batteries
La performance de divers composants de batterie, tels que les anodes, les cathodes et les membranes séparatrices, peut être affectée par leur aire de surface. Les propriétés telles que les taux de charge et de décharge, l'impédance et la capacité sont liées aux surfaces de ces matériaux. Pour plus d'information, consulter le rapport d'application "Surface Area Determination of Battery Cathode and Anode Materials".
Céramiques
Céramiques
La céramique est utilisée dans la fabrication de milliers d'objets du quotidien, y compris des produits à usage général comme le verre et le ciment, ainsi que des produits plus techniques tels que les semi-conducteurs et les microprocesseurs. L'aire de surface a un impact sur la frittage, les propriétés thermiques et la rétention d'humidité, et est donc une propriété importante dans la sélection et la production de céramiques.
Conclusion
Comme le principe BET utilise des données d'adsorption de gaz, il est également applicable aux matériaux poreux et non poreux, quelle que soit la taille et la forme des particules. Par conséquent, c'est un outil utile pour l'étude et la fabrication d'une grande variété de solides.
Références
Brunauer, S. et al. (1938). Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. Journal of the American Chemical Society, pp. 309–319.
Lowell, S. et al. (2004). Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density. 1st ed. Dordrecht, The Netherlands: Springer.
Thommes, M. et al. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, pp. 1051–1069.
