[논문 리뷰] Inferring Pore Size and Network Structure from Sorption Hysteresis

Matthew B. Pinson, Hamlin M. Jennings외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 14.

Calcium Carbonate Crystallization and Inhibition참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 유한 체적 보정 인자 $f$ 를 도입하고, 다공성 구조물 내의 흡착, 기화, 고체 매트릭스 내 침투 메커니즘을 통합함으로써 퍼콜레이션 이론을 다스케일 다공성 물질의 흡착 히스테리시스를 모델링하기 위해 확장한다. 이 모델은 콘크리트와 치아 에나멜과 같은 다양한 물질에서 주요 및 스캐닝 이소스터모를 정확하게 예측하며, 숨겨진 퍼콜레이팅 거시다공을 밝혀내고, 핵형성 장벽과 관련된 온도에 따라 변하는 탈착 피크를 보편적으로 규명한다.

ABSTRACT

Sorption experiments are widely used to assess the microstructure of a mesoporous material, but challenges arise in interpretting sorption/desorption isotherms with significant hysteresis. Existing models used to fit experimental data are based on percolation theory for infinite lattices to describe the mechanism of blocking in a network of different sized pores. Here, we extend percolation theory for multiscale porous media by introducing a parameter $f$, which effectively accounts for finite size by characterizing the fraction of pores that are always accessible from the exterior, and incorporate additional hysteresis mechanisms of single-pore filling, cavitation and liquid insertion into the solid matrix. The model is able to explain both primary and scanning sorption/desorption isotherms for materials with wide pore size distributions, such as concrete, carbon black and dental enamel, and quantifies the prevalence of percolating macro-pores, despite their remaining unfilled during sorption experiments. A distinct temperature-dependent bump in desorption isotherms is attributed to the lowering of the barrier to nucleation of the vapor phase, consistent with a universal scaling across a range of sorbents and sorbates.

연구 동기 및 목표

• 메조다공성 물질에서 상당한 히스테리시스를 보이는 흡착/탈착 이소스터모를 해석하는 데 도전하는 것.
• 무한 격자를 가정하고 유한 체적 효과를 간과하는 기존의 퍼콜레이션 기반 모델의 한계를 극복하는 것.
• 단일 다공 흡착, 기화, 고체 매트릭스 내 액체 침투와 같은 다수의 히스테리시스 메커니즘을 통합된 프레임워크에 통합하는 것.
• 사용 가능한 다공의 비율을 정량화하고, 실험에서 채워지지 않은 상태일지라도 퍼콜레이팅 거시다공 네트워크를 식별하는 것.
• 다양한 흡착제와 흡착물에 걸쳐 관찰되는 보편적인 온도 의존성 탈착 피크의 기원을 설명하는 것.

제안 방법

• 유한 다공성 네트워크에 적합하게 하기 위해, 항상 외부에서 접근 가능한 다공의 비율을 나타내는 유한 체적 보정 인자 $f$ 를 도입한다.
• 표준 퍼콜레이션 모델을 확장하여 단일 다공 내 모세관 응축, 탈착 중 기화, 고체 매트릭스 내 액체 침투 등의 히스테리시스 메커니즘을 포함한다.
• 다공 크기 분포와 연결성을 고려한 수정된 퍼콜레이션 프레임워크를 사용하여 주요 및 스캐닝 흡착 이소스터모의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 콘크리트, 탄소 블랙, 치아 에나멜 등 넓은 다공 크기 분포를 가진 물질의 실험 데이터에 모델을 적용하여 예측의 타당성을 검증한다.
• 온도 의존적 탈착 거동을 분석하여 관측된 피크가 수증기 상 형성의 핵형성 장벽 감소와 관련이 있음을 규명한다.
• 다양한 흡착제와 흡착물 간의 탈착 이소스터모 이상 현상 간의 유사성 스케일링을 통해 보편적인 물리적 메커니즘을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 다공 크기 분포를 가진 복합 다스케일 다공성 네트워크에서의 흡착 히스테리시스를 모델링하기 위해 퍼콜레이션 이론을 어떻게 유한 체적 특성에 맞게 조정할 수 있는가?
• RQ2 모세관 응축을 초월하여 메조다공성 물질의 이소스터모 히스테리시스에 기여하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이 모델은 콘크리트와 치아 에나멜과 같은 다양한 물질에서 주요 및 스캐닝 이소스터모를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 관찰된 특징적인 온도 의존성 탈착 피크는 무엇에 기인하며, 다양한 흡착제-흡착물 조합 간에 보편적인가?
• RQ5 흡착 실험 중에 채워지지 않은 상태일지라도 퍼콜레이팅 거시다공의 존재를 어떻게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 유한 체적 인자 $f$ 의 도입으로 실제 다공성 물질에서의 흡착 히스테리시스를 정확하게 모델링할 수 있었으며, 무한 격자 기반 퍼콜레이션 모델의 한계를 극복하였다.
• 이 모델은 콘크리트, 탄소 블랙, 치아 에나멜 등 다공 크기 분포가 넓은 물질에서 주요 및 스캐닝 흡착/탈착 이소스터모를 성공적으로 재현하였다.
• 다수의 거시다공이 연결성과 유한 체적 보정 덕분에 채워지지 않은 상태일지라도 퍼콜레이팅이 가능하고 접근 가능하다고 규명되었다.
• 탈착 이소스터모에서 관찰된 온도 의존성 피크는 수증기 상 형성의 핵형성 장벽 감소에 기인하며, 다양한 흡착제-흡착물 조합 간에서 일관되게 나타났다.
• 관측된 탈착 이소스터모 이상 현상은 보편적인 스케일링 행동을 보이며, 핵형성 동역학과 관련된 공통된 물리적 메커니즘을 시사한다.
• 이 모델은 단일 다공 흡착, 기화, 매트릭스 내 침투의 영향을 종합적으로 정량화하여, 복잡한 다공성 시스템에서의 히스테리시스에 대한 종합적인 설명을 제공한다.