Hystérésis capillaire dans les nanopores : Études théoriques et expérimentales de l'adsorption d'azote sur MCM-41

L'hystérésis capillaire dans les nanopores cylindriques a été étudiée en utilisant le MCM-41 comme principal exemple de matériau mésoporeux. Ces matériaux, en raison de leur structure de pores régulière, peuvent être considérés comme des candidats pour des adsorbants de référence pour standardiser les mesures d'adsorption et les méthodes de caractérisation des solides poreux. Ils offrent une opportunité unique de vérification des modèles théoriques utilisés pour prédire l'équilibre de phase dans une géométrie confinée. Trois échantillons avec des canaux de pores monodisperses ont été synthétisés et examinés par diffraction des rayons X (DRX). Les isothermes d'adsorption d'azote ont été modélisées en utilisant la théorie de la fonctionnelle de densité non locale (NLDFT) dans une large gamme de tailles de pores (18-80 A). Les isothermes théoriques pour des canaux de pores de tailles correspondant à celles identifiées par DRX ont été comparés aux isothermes expérimentales à différentes températures entre 70 et 82 K. Ces dernières ont été mesurées indépendamment sur deux installations d'adsorption différentes. La dépendance thermique théorique de l'hystérésis thermodynamique de l'adsorption-désorption prédite par NLDFT est confirmée par les mesures expérimentales. Il est montré qu'à 77,4 K, la NLDFT prédit quantitativement les transitions de phase à l'équilibre dans les canaux cylindriques de MCM-41. Les résultats théoriques et expérimentaux prouvent que l'hystérésis d'azote observée à des températures inférieures à 77,4 K est associée à une métastabilité de la branche d'adsorption de l'isotherme. L'absence d'hystérésis expérimentale sur des échantillons avec une taille de pores d'environ 40 A à des températures supérieures à 77,4 K ne peut être expliquée par l'atteinte de la température critique capillaire pour une taille de pore donnée, comme cela avait été supposé précédemment.