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BS ISO 15901——压汞法和气体吸附法评价孔径分布与孔隙率标准系列
Evaluation of pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption（ISO 15901 系列）
🧱 BS ISO 15901 系列是英国标准学会（BSI）采用 ISO 15901 系列的英国国家标准，规定了用压汞法和气体吸附法评价固体材料孔径分布与孔隙率的方法。多孔材料的孔结构（孔容、孔径分布、比表面积）直接决定其吸附、催化、过滤、储气与力学等性能，因此孔结构表征是催化剂、吸附剂、陶瓷、建筑材料、金属泡沫等研发与质控的关键。该系列由三部分组成，分别规定压汞法、中孔与大孔气体吸附分析、微孔气体吸附分析。
💡 压汞法与气体吸附法覆盖不同孔径范围：压汞法适合大孔与介孔（约 3 nm 至数百 μm），气体吸附法适合微孔与介孔（约 0.4～100 nm）。两者互补可覆盖从微孔到大孔的全范围孔结构。
一、标准适用范围与系列构成 📌
BS ISO 15901 系列由英国技术委员会 LBI/37（颗粒表征，包括筛分）负责制定，ICS 分类号为 19.120。系列构成如下：
| 标准号 | 名称 | 发布年份 | 内容重点 |
|---|---|---|---|
| BS ISO 15901-1 | 压汞法（Mercury porosimetry） | 2016 | 大孔与介孔孔径分布 |
| BS ISO 15901-2 | 气体吸附分析中孔与大孔（Analysis of mesopores and macropores by gas adsorption） | 2006 | 中孔、大孔（BET/BJH 等） |
| BS ISO 15901-3 | 气体吸附分析微孔（Analysis of micropores by gas adsorption） | 2007 | 微孔孔径分布（t-图、DR 等） |
ISO 15901-1 于 2016-04-01 发布第二版（取代 2005 版），ISO 15901-2 于 2006-12-15 发布第一版（含 2007-05 勘误），ISO 15901-3 于 2007-06-01 发布第一版。该系列取代了 BS 7591-2:1992。
二、压汞法（第 1 部分）💉
BS ISO 15901-1 规定了压汞法。其原理是：汞不浸润大多数固体材料，需施加压力才能进入孔隙；孔径与施加压力成反比（Washburn 方程），通过测量不同压力下汞的侵入量，即可计算孔径分布与孔容。标准对以下环节作出规定：
- 原理与假设：Washburn 方程、圆柱孔模型、接触角与表面张力取值。
- 取样：代表性取样与样品量。
- 样品预处理：干燥、脱气，避免水分与污染。
- 测量：加压与减压过程、汞侵入-挤出曲线。
- 仪器性能验证与校准：标准参比材料验证。
三、气体吸附分析中孔与大孔（第 2 部分）🌬️
BS ISO 15901-2 规定了用气体吸附分析中孔与大孔的方法。其原理是：在低温（如液氮 77 K）下测定氮气等吸附质在不同相对压力下的吸附-脱附等温线，由吸附等温线计算比表面积（BET 法）与孔径分布（如 BJH、BET 法）。标准对取样、预处理、测量、仪器性能验证与校准、结果计算等作出规定，并处理了 2007 年 5 月勘误中对指数计算的修正。
四、气体吸附分析微孔（第 3 部分）🔍
BS ISO 15901-3 规定了用气体吸附分析微孔的方法。微孔（孔径 <2 nm）的表征需在极低相对压力下测量，常用 t-图法、DR（Dubinin-Radushkevich）方程、Horvath-Kawazoe 等模型分析微孔孔容与孔径分布。标准对微孔分析的取样、预处理、测量条件与结果计算作出规定。
⚠️ 压汞法与气体吸附法各有局限：压汞法对墨水瓶孔可能高估孔径、高压可损伤样品；气体吸附法对微孔与介孔表征准确，但超微孔与大孔范围受限。应结合材料孔径范围与特性选择合适方法，并注意样品预处理（脱气）条件。
五、关键技术要求与应用实践 🛠️
| 技术环节 | 关键要求 | 作用 |
|---|---|---|
| 样品预处理 | 干燥、脱气（温度与真空控制） | 排除水分与吸附物 |
| 接触角/表面张力 | 正确取值并注明 | 影响孔径计算 |
| 吸附等温线 | 低/高相对压力、平衡判据 | 保证等温线正确 |
| 比表面积 | BET 法适用压力范围 | 保证表面积准确 |
| 模型选择 | BJH/t-图/DR 等按孔径选取 | 保证孔径分布合理 |
| 校准与验证 | 标准参比材料、重复性 | 保证量值可靠 |
工程实践中，孔结构表征广泛应用于：催化剂与载体比表面积与孔径优化、吸附剂（分子筛、活性炭）孔结构评价、陶瓷与建筑材料孔隙率测定、锂电池电极材料与金属有机框架（MOF）储气研究等。通常压汞法与气体吸附法配合使用，覆盖从微孔到大孔的完整孔径范围。
在数据解释上还需注意孔尺寸分级（微孔 <2 nm、介孔 2～50 nm、大孔 >50 nm，按 IUPAC 定义）与吸附质选择的影响：氮气是介孔分析的常用吸附质，而微孔分析常配合氩气或二氧化碳在更广的相对压力范围内测量，以获得更完整的微孔信息。对于含微孔与介孔的复合孔结构材料，应结合 t-图法与 BJH 法分别给出微孔孔容与介孔孔径分布，避免单一模型造成的偏差。
✅ 评价多孔材料时应先明确目标孔径范围：微孔-介孔用气体吸附法，大孔-介孔用压汞法；对需全范围孔结构表征的材料，两种方法并用可得到最完整的孔径分布。
六、常见问题解答 ❓
❓ 问：压汞法与气体吸附法如何选择？
答：压汞法适合大孔与介孔（约 3 nm～数百 μm），测孔范围宽、速度快，但高压可能损伤样品；气体吸附法适合微孔与介孔（约 0.4～100 nm），准确度高。应按材料孔径范围选择或并用。
答：压汞法适合大孔与介孔（约 3 nm～数百 μm），测孔范围宽、速度快，但高压可能损伤样品；气体吸附法适合微孔与介孔（约 0.4～100 nm），准确度高。应按材料孔径范围选择或并用。
❓ 问：什么是 BET 比表面积？
答：BET 法由氮气等温线在 0.05～0.3 相对压力区间的数据，按 Brunauer-Emmett-Teller 方程计算单分子层吸附量，进而得到比表面积（m²/g），是表征多孔与粉体材料表面积的标准方法。
答：BET 法由氮气等温线在 0.05～0.3 相对压力区间的数据，按 Brunauer-Emmett-Teller 方程计算单分子层吸附量，进而得到比表面积（m²/g），是表征多孔与粉体材料表面积的标准方法。
❓ 问：为什么测量前需要脱气？
答：样品表面与孔内吸附的水分、杂质会占据孔位、影响吸附量。脱气（加热+真空）可清洁表面，保证等温线与孔结构测定准确，但温度过高会破坏材料结构，需选择合适条件。
答：样品表面与孔内吸附的水分、杂质会占据孔位、影响吸附量。脱气（加热+真空）可清洁表面，保证等温线与孔结构测定准确，但温度过高会破坏材料结构，需选择合适条件。
🔍 问：什么是迟滞回线？
答：吸附与脱附等温线在介孔区不完全重合形成迟滞回线，反映毛细凝聚与孔的形状/连通性。不同类型（H1～H4）可帮助判断孔形，是介孔分析的重要信息。
答：吸附与脱附等温线在介孔区不完全重合形成迟滞回线，反映毛细凝聚与孔的形状/连通性。不同类型（H1～H4）可帮助判断孔形，是介孔分析的重要信息。
