Mesure de surface spécifique

Qu’est ce que la surface spécifique d’un matériau solide ou d’une poudre ?

La surface spécifique d’un matériau est le rapport entre sa surface réelle en contact avec l’extérieur et sa masse. La surface réelle se différencie de la surface apparente d’un échantillon en prenant en compte, s’il y a lieu, des surfaces de chaque pores dits ouvert, qui communiquent avec l’extérieur.

La surface spécifique est l’une des mesures les plus classiques que nous proposons sur les poudres et les solides poreux.

Mickaël Simond, Président et Directeur commercial, Calnesis

Deux types d’échantillons sont particulièrement concernés par les mesures de surface spécifique. Tout d’abord, il y a les matériaux poreux dont la distribution de diamètres des pores influe de manière très importante sur ce paramètre. Ainsi, plus les diamètres des pores ouverts sont faibles, plus la surface spécifique sera importante.

L’autre type d’échantillon concerné par ces mesures sont les matériaux divisés comme les poudres. En effet, plus le diamètre des grains de poudre est faible, plus la surface spécifique de la poudre augmente. La forme des grains peut également impacter ce paramètre, notamment lorsque celle-ci s’éloigne de la forme sphérique.

Un exemple : le charbon actif est un matériau poreux et souvent divisé. Il présente une très grande surface spécifique : l’aire totale de ses interfaces externes peut représenter jusqu’à plus de 1000 mètres carrés par gramme.

Quelle est l’unité de mesure de ce paramètre ?

La surface spécifique d’un matériau est exprimée en m²/kg dans les unités du système international. Néanmoins, son ordre de grandeur rend l’utilisation du m²/g plus adéquate. Elle peut parfois être exprimée par unité de volume. Son unité est alors le m²/m³ (en m^-1 donc !).

Pourquoi mesurer la surface spécifique ? 

De part leurs propriétés spécifiques, les matériaux poreux ou granulaires sont souvent utilisés pour des applications chimiques et physiques spécifiques. On peut citer le piégeage, la catalyse, les réactions chimiques interfaciales, la fonctionnalisation d’interfaces, l’adsorption, l’absorption, etc. 

Pour maîtriser au mieux ces techniques, il faut caractériser précisément la porosité des matériaux utilisés : porosité, distribution des diamètres des pores ouverts, granulométrie, surface spécifique, etc.

Comment est-elle mesurée au laboratoire ?

La méthode BET (Brunauer, Emmett et Teller) est la méthode d’analyse appliquée le plus souvent en laboratoire d’analyse pour mesurer la surface spécifique d’échantillons poreux ou divisés. Cette technique de physisorption consiste à mesurer la quantité de gaz nécessaire à la formation d’une mono-couche gazeuse autour de chaque particule d’échantillon ou dans chacun de ses pores pour en déterminer sa surface réelle. La courbe obtenue est un graphique nommé isotherme d’adsorption.

La méthode BET permet de quantifier mais aussi de caractériser la surface spécifique d’échantillons poreux ou divisés de manière efficace

Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

D’autres méthodes moins classiques ne s’appliquent qu’à certains types d’échantillons. On peut citer les méthodes d’adsorption de liquides, mais aussi des méthodes physiques qui nécessitent des appareils plus complexes.

Limites de la méthode BET

Concernant les matériaux poreux, cette méthode ne donne que des indications limitées sur la taille et la distribution de tailles des pores. En effet, seule la mésoporosité (pores de diamètres compris entre 2 et 50 nm) n’est identifiable avec cette technique. Ainsi, pour compléter les analyses de surface spécifique, la porosimétrie d’intrusion au mercure constitue une alternative plus intéressante car disposant d’une plage de mesure plus large (10 nm – 800 µm).

Concernant les matériaux divisés, la méthode BET ne permet pas la caractérisation de la distribution de diamètres des particules. Des analyses de granulométrie avec ou sans visualisation des particules pourront ainsi venir compléter ces analyses.