(화학분석) 다공성물질의 기공과 비표면적 개념 | BET 분석방법

기공(porosity)과 비표면적(specific surface area)은 물질의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 핵심 요소입니다.

기공은 물질 내부에 존재하는 미세한 구멍을 의미하며, 비표면적은 단위 질량당 표면적을 나타냅니다.

이 두 개념은 촉매, 흡착제, 에너지 저장 소재 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.

BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석은 기공 구조와 비표면적을 정량화하는 대표적인 방법으로, 가스 흡착 원리를 기반으로 합니다.

기공의 개념과 분류

기공은 크기와 형태에 따라 다음과 같이 분류됩니다[1][4][7]:

1. 개방 기공(Open Pore)**: 외부와 연결된 기공으로, 흡착 및 촉매 반응에 유용합니다.  
   - 관통 기공(Penetrating Pore)**: 양쪽이 뚫린 구조.
   - 비관통 기공(Nonpenetrating Pore)**: 잉크병 형태로 한쪽만 개방.

2. 폐쇄 기공(Closed Pore)**: 내부에 고립되어 경량화·단열 특성을 부여합니다.

나노 입자나 다공성 구조(예: 활성탄, 그래핀)는 기공이 많아질수록 **비표면적이 증가**합니다. 예를 들어, 정육면체 입자를 8조각으로 분할하면 표면적이 6배 증가하며, 나노 단위로 분할 시 극적인 표면적 확대가 일어납니다[1][4].

비표면적의 중요성

비표면적은 단위 질량당 표면적(m²/g**)으로 표현되며, 다음과 같은 응용 분야에서 결정적 역할을 합니다[1][5][9]:

- 흡착**: 활성탄의 유기물 제거 능력은 비표면적에 비례합니다.

- 촉매 반응**: 넓은 표면적은 반응 활성점 증가로 이어집니다

- 에너지 저장**: 리튬이온 배터리 전극의 충전 속도와 비표면적이 직접 연관됩니다.

예를 들어, 그래핀의 이론적 비표면적은 2,600 m²/g이지만, 층간 응집으로 실제 값은 더 낮습니다. 3D 나노 다공성 그래핀은 층간 거리를 조절해 응집을 줄이고 비표면적을 극대화합니다[1][4].

BET 분석의 원리와 장비

BET 이론
BET 이론은 다층 흡착 모델**을 기반으로 합니다. Langmuir 이론(단일층 흡착)을 확장해, 기체 분자가 고체 표면에 여러 층으로 흡착되는 현상을 설명합니다[2][3][35]. BET 방정식은 다음과 같습니다:

BET 분석 절차

1. 시료 전처리**: 고체 시료를 진공 상태에서 가열(200–300°C)하여 표면 오염물을 제거[3][6].

2. 질소 흡착**: 액체 질소 온도(77 K)에서 질소 가스를 단계적으로 주입하며 흡착량 측정[2][22].

3. 데이터 해석

BET 장비 구성

- 진공 시스템**: 시료 챔버, 펌프, 압력 센서[3][29].
- 가스 주입 시스템**: 질소/크립톤 가스 공급.
- 검출기**: 열전도도 감지(TCD)로 흡착량 측정[20][33].

크립톤 사용 조건: 낮은 비표면적(< 1 m²/g) 시료는 크립톤을 사용해 정확도 향상[2][15].

BET의 응용 분야

1. 활성탄 분석**: 기공 크기 분포와 비표면적 측정으로 흡착 효율 평가[9][11].

2. 나노 소재**: 그래핀, 메탈-유기 골격체(MOF)의 표면적 최적화[12][14].

3. 촉매 개발**: 담지 금속의 분산도와 반응성 연관성 분석[18][42].

BET의 한계와 대체 방법

- 한계**: 마이크로기공(< 2 nm) 분석에는 Dubinin-Radushkevich 모델이 더 적합[6][11].

- 대체 방법**:  
  - 수은 공극율측정법**: 매크로기공(> 50 nm) 분석[6][36].  
  - 소각법**: 탄소 소재의 기공률 측정[19].

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기공과 비표면적은 물질의 성능을 좌우하는 핵심 변수이며, BET 분석은 이를 정량화하는 표준 방법으로 자리잡았습니다. 화학공학 전반에서 촉매 설계, 흡착제 개발, 에너지 소재 연구 등에 필수적으로 활용되며, 지속적인 장비 발전으로 나노 단위의 정밀한 분석이 가능해지고 있습니다[25][33][38].



출처
[1] Ceramist https://www.ceramist.or.kr/journal/Table.php?xn=ceramist-22-3-243.xml
[2] 가스 흡착 - 마이크로메리틱스 - Micromeritics https://micromeritics.com/ko/gas-adsorption
[3] [열/분체] 비표면적 분석(BET) - 네이버 블로그 https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hongbo_geri&logNo=220983367063
[4] [PDF] CERAMIST https://www.ceramist.or.kr/upload/pdf/ceramist-2019-22-3-03.pdf
[5] [인터뷰] 윤준섭 (주)솔텍트레이딩 대표 - 투데이에너지 https://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=234739
[6] BET 분석이란? 다공성 소재의 표면적과 기공 크기 및 부피를 측정하는 ... https://mystory-ing.tistory.com/39
[7] 세라믹공정-다공성 세라믹 제조 : 네이버 블로그 https://blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hard&logNo=220368085547
[8] 환경·에너지 분야 필수 소재, '다공성 세라믹' - 신소재경제신문 http://www.amenews.kr/skin/news/basic/view_pop.php?v_idx=17688
[9] 아미노불소화 반응에 의한 활성탄소전극 제조 및 전기화학적 특성 https://www.kci.go.kr/kciportal/ci/sereArticleSearch/ciSereArtiView.kci?sereArticleSearchBean.artiId=ART001576121
[10] BET 비표면적 측정 기본원리 - 물질특성분석센터 https://mcc-korea.com/post-bet-001-241022/
[11] [PDF] 유해가스 제거를 위한 첨착활성탄의 연구 - Riss4u.net http://imgsvr.riss4u.net/contents1/td_contents2/08929/816/08929816.pdf
[12] 기체가 저장물질에 흡착되는 과정 관찰 - KAIST https://kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=1823&GotoPage=162
[13] [논문]활성탄소섬유의 비표면적에 따른 유해가스 흡착 및 전기화학적 ... https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202020941303635
[14] 메조기공을 갖는 제올라이트 또는 유사 제올라이트 및 그의 제조 방법 https://patents.google.com/patent/KR101621684B1/ko
[15] 비표면적분석기 - 첨단분말소재부품센터 https://camp2.kongju.ac.kr/M02099/15748/subview.do
[16] Journal Archive https://jekosae.or.kr/_common/do.php?a=full&b=41&bidx=3569&aidx=39657
[17] 소성과 황화반응에 따른 생석회의 비표면적 및 기공구조 변화 - DBpia https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE00418525
[18] [PDF] 논문 https://www.jksee.or.kr/upload/pdf/KSEE_1_2001_09_1451(C).pdf
[19] [PDF] 다공성 제올라이트의 특성을 이용한 기공율 추정 연구 https://ksct.cleantechnol.or.kr/digital-library/manuscript/file/56469/3.pdf
[20] BET 물리흡착분석기 비표면적분석장비 Brunauer Emmett Teller https://blog.naver.com/rion840915/221517595427
[21] BET 장비의 원리 - KOSEN - 한인과학기술자네트워크 https://kosen.kr/know/whatis/00000000000000761484?page=392
[22] 카본 블랙 표준 물질을 사용한 질소 BET 비표면적 분석을 진행하는 방법 https://www.youtube.com/watch?v=ejMMjaN8qyc
[23] 성균관대학교 공동기기원 | 시험분석안내 | 비표면적 / 공극도측정 ( BET ) https://ccrf.skku.edu/ccrf/property/property_BET.do
[24] 비표면적분석기 - 경북연구장비정보시스템 https://gbrems.gbtp.or.kr/equip/equipDetail/979
[25] BET - 융복합소재지원센터 http://finechemical.ktr.or.kr/bet/
[26] 비표면적 측정기를 이용한 이산화탄소 흡착 분석의 특징 https://mcc-korea.com/post-bet-241209/
[27] 비표면적(BET) 분석시험 l 물질특성분석센터 https://mcc-korea.com/bet%EB%B6%84%EC%84%9D/
[28] 56. BET 비표면적 분석기 - 장비검색 - 전북테크노파크 https://jbjangbi.jbtp.or.kr/sub01/view01.php?page=74&id=I000000783
[29] 비표면적측정기 - 분석장비 https://www.gachon.ac.kr/bbs/gcrf/1428/79091/artclView.do?layout=unknown
[30] BET(Brunauer, Emmett and Teller/가스흡착법) 분석 - 네이버 블로그 https://blog.naver.com/violetxxo_/222649562650
[31] BET 분석 - KOSEN - 한인과학기술자네트워크 https://kosen.kr/know/whatis/00000000000000776138?page=137
[32] BET 장비의 원리 - KOSEN - 한인과학기술자네트워크 https://kosen.kr/know/whatis/00000000000000761484?page=386
[33] 가스흡착분석기 BET의 분석 원리 - 물질특성분석센터 https://mcc-korea.com/post-bet-20241121/
[34] BET 비표면적 분석기 사이언스21 입니다. https://www.s21.co.kr/news_view.jsp?ncd=3949
[35] BET 개념 및 원리 레포트 - 해피캠퍼스 https://www.happycampus.com/report-doc/25438131/
[36] [PDF] TRI-63-1: BET BET (가스흡착법) - 한국고분자시험연구소 http://www.polymer.co.kr/upload/trizip/84f966a3d02a4f189bfba79956d9caf9.pdf
[37] BET 비표면적 분석장비 (Brunauer-Emmett-Teller Analysis) http://www.reob.co.kr/encyclopedia/?bmode=view&idx=11237655
[38] BET 비표면적 분석기: Nova - Anton Paar https://www.anton-paar.com/kr-kr/products/details/nova/
[39] K2Web Wizard - 표준분석연구원 연구장비 소개(BET) https://www.inha.ac.kr/bbs/kr/58/29191/artclView.do
[40] BET 분석 - 한국고분자시험연구소 http://www.polymer.co.kr/kor/02_service/equipment_6_4.jsp
[41] [열/분체] 비표면적 분석(BET) - 네이버 블로그 https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hongbo_geri&logNo=220983367063
[42] [PDF] Fe첨가에 따른 BET와 NSR흡장 https://koreascience.kr/article/CFKO200914064132116.pdf