《质子交换膜燃料电池催化剂炭载体测试方法》

ICS27.070

CCSK82

T/CREST/CRES00XX-202X

中国可再生能源学会标准

T/CRES00XX-202X

质子交换膜燃料电池催化剂炭载体测试方法

Testmethodsofcatalystcarbonsupportforprotonexchange

membranefuelcell

（征求意见稿）

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中国可再生能源学会发布

T/CRES00XX-202X

质子交换膜燃料电池催化剂炭载体测试方法

1范围

本文件规定了质子交换膜燃料电池催化剂炭载体测试方法的术语和定义、形貌及粒径分布测试、

比表面积、孔容、孔径分布测试、电阻率测试、热分解温度及灰分含量测试、吸油值测试、亲疏水性/

接触角测试、振实密度测试、析出杂质含量测试、半电池催化剂炭载体耐久性测试、单电池催化剂炭

载体耐久性测试。

本文件适用于质子交换膜燃料电池催化剂炭载体。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适

用于本文件。

GB/T28816《燃料电池术语》

GB/T20042.1-2017《质子交换膜燃料电池术语》

GB/T20042.4-2009《质子交换膜燃料电池第4部分：电催化剂测试方法》

GB/T5816-1995《催化剂和吸附剂表面积测定法》

GB/T21650.1-2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第1部分：压汞法》

GB/T39978-2021《纳米技术碳纳米管粉体电阻率四探针法》

GB/T40007-2021《纳米技术纳米材料电阻率的接触式测量方法通则》

GB_T29189-2012《碳纳米管氧化温度及灰分的热重分析法》

GBT3780.10-2017《炭黑第10部分：灰分的测定》

GB/T3780.2-2017《炭黑第2部分:吸油值的测定》

GB/T21354-2008《粉末产品振实密度测定通用方法》

GB/T13566.1-2008《肥料堆密度的测定第1部分：疏松堆密度》

GB_T36086-2018《纳米技术纳米粉体接触角测量Washburn动态压力法》

1

T/CRES00XX-202X

GB_T15072.7-2008《贵金属合金化学分析方法金合金中铬和铁量的测定电感耦合等离子体原子

发射光谱法》

3术语和定义

GB/T20042.1-2017界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

半电池halfcell

一个原电池的电极和它周围发生反应的电解质溶液组成的体系，可看成电池的一半。

3.2

工作电极workingelectrode

是指测试过程中所要研究的电化学反应在该电极上发生，又称研究电极。

3.3

三电极体系threeelectrodesystem

由工作电极、对电极及参比电极和电解质溶液共同组成的测试体系。

3.4

电化学活性比表面积electrochemicalactivespecificarea（ECSA）

电化学方法测得的催化剂的有效活性比表面积，单位：m2/g。

注：表示催化剂参加电化学反应的活性位的多少，评估炭载体与催化粒子的适配程度。

3.5

质量比活性massactivity(MA)

催化剂在给定电压下电极上单位质量的电催化剂所输送的电流，单位：A/g。

3.6

炭载体耐久性carbonsupportdurability

炭载体在电压循环后的性能表现，是催化剂炭载体稳定性和寿命的评价指标。

3.7

死空间deadspace

装有试样的样品管浸于合适深度的液氮中时，样品管（包括样品阀）的空隙体积，单位：cm³。

3.8

孔容porevolume

2

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指定方法测得的归一化单位质量炭载体的孔体积，单位：cm3/g。

3.9

孔径poresize

孔宽，即圆柱形孔的直径或狭缝孔两对壁间的距离，是表征多孔材料空间的各种尺寸的一个代表

性值，单位：nm。

3.10

电阻率resistivity

材料内部的电流电场强度和稳态电流密度之比，即单位体积内的体积电阻，单位：Ω·cm。

3.11

动态四探针法dynamicfourprobemethod

纳米粉体材料不需预压成型，用四探针电阻率测量仪测量过程中，由于持续加压，待测样的压实

密度不断变化，测量待测样在不同压实密度下的电阻率的方法。

3.12

热分解温度thermaldecompositiontemperature

炭载体热重曲线中起始段作切线和热重曲线上斜率最大点处作切线，二切线交点所对应的温度为

热分解温度。

3.13

灰分含量ashrelativecontent

炭载体充分氧化后热分析仪坩埚中残余物质的质量与炭载体初始质量的比。

3.14

吸油值oilabsorptionnumber(OAN)

在规定的试验条件下，每千克炭黑吸收邻苯二甲酸二丁酯(DBP)或石蜡油的立方米数

注:OAN与炭黑的聚集体结构水平成比例，参见GB/T3780.2-2007。

3.15

接触角contactangle

非浸润液体在固体材料上形成的角度。

3.16

振实密度tapdensity

在规定条件下粉末经振实后所测得的单位容积的质量，单位：g/cm3。

3

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3.17

析出杂质含量precipitatedimpuritiescontent

炭载体在酸溶液中浸泡一段时间后，在溶液中析出的杂质含量。

4通用安全要求

a)通常情况下，催化剂炭载体测试过程中使用氧化性和还原性气体，这些气体储存在高压容器中。

b)燃料电池单电池自身可以在加压或常压下运行。

c)进行测试试验的人员应进行操作培训，具有操作相应测试试验的经验，并应熟知相关安全操作

规程（包括电器设备操作、化学反应、压缩气体等）。

d)技术培训、经验以及安全设施等内部不在本部分的范围内。

e)较大数量的炭载体测试场所应符合GB15577-2018《粉尘防爆安全规程》要求。

5测试说明

5.1质子交换膜燃料电池催化剂炭载体适用的测试方法

质子交换膜燃料电池催化剂载体适用的测试方法说明见表1。

表1质子交换膜燃料电池催化剂炭载体适用的测试方法说明

测试方法催化剂炭载体

形貌及粒径分布测试：TEM测试√

比表面积、孔容、孔径分布测试：静态氮吸附容量法+BET二参数方

√

程拟合

电阻率测试：动态四探针法√

热分解温度及灰分含量测试：TGA√

吸油值测试：（邻苯二甲酸二丁酯DBP）溶剂浸渍法√

亲疏水性测试：Washburn动态压力法√

振实密度测试：振动漏斗法√

杂质含量：ICP√

半电池催化剂炭载体耐久性测试：循环伏安曲线测试,极化曲线测试,

√

电位循环扫描测试

单电池催化剂炭载体耐久性测试：单电池极化曲线测试；单电池质量√

4

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比活性（MA）测试；单电池电化学活性面积（ECSA）测试；单电池

催化剂载体耐久性测试

注：“√”为可选项

5.2催化剂炭载体测试过程中用到的其他相关材料

催化剂炭载体测试过程中用到的其他相关材料说明见表2。

表2催化剂炭载体测试过程中用到的其他相关材料说明

材料名称或种类建议参数或主要指标

无水乙醇纯度为99%以上

氮气纯度≥99.999%

氦气纯度≥99.999%

蒸气压力不高于当天大气压

液氮

5.3kPa

邻苯二甲酸二丁酯纯度为99%以上

标准参比炭黑

浓硫酸98%，优级纯

超纯水电阻率≥18.2MΩ·cm

Nafion(D520)5%

异丙醇纯度为99%以上

氧气纯度≥99.999%

HClO4溶液0.1mol/L

增湿用去离子水电导率<0.25uS/cm

氢气纯度≥99.999%

阴极气体扩散层东丽公司TGL-R-055

阳极气体扩散层科德宝公司H23-cx653

6形貌及粒径分布测试

6.1测试仪器

满足不同炭载体粒径测试要求的透射电镜仪。

6.2样品准备

单颗样品粉末尺寸应小于100μm。

5

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在试验前，将样品置于真空烘箱中于80℃干燥12h。

6.3测试方法

a)将铜网进行除油、除污处理，并清洗、干燥。

b)取适量的样品和乙醇加入小烧杯，超声振荡均匀，将适量混合液滴于铜网上，干燥后，放入透

射电镜仪器中进行测试。

c)按照电镜仪器的操作要求，取一定放大倍数的电镜照片。

6.4数据处理

统计200个以上的样品颗粒的粒径，给出粒径分布图。按公式（1）计算样品的平均粒径：

푫풎=∑풊풏풊풅풊/∑풊풏풊···············(1)

式中：

퐷푚——炭载体粒子的平均粒径，单位为纳米（nm）；

푛푖——粒径为di的粒子数，单位为个；

푑푖——第i个样品粒子的粒径，单位为纳米（nm）。

注：对于准球形炭载体，粒径选取无特别要求；对于树枝状、棒状、珊瑚状等非准球形炭载体以短径

作为炭载体粒径，同时长径值作为粒径分布的附图进行补充说明。

7比表面积、孔容、孔径分布测试

7.1测试仪器及气体

全自动物理吸附仪。

分析天平：精度为0.01mg。

测试气体：经过干燥处理的无油高纯氮气、氦气，纯度不低于99.999%；液氮：蒸气压力不高于

当天大气压5.3kPa。

7.2测试方法

采用静态氮吸附容量法测量炭载体在不同低压下所吸附的氮气体积，至少要测得符合BET线性关

系的四个试验点，应用BET二参数方程进行表面积计算。

7.2.1样品预处理和脱气

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a)将干净的空样品管置于仪器脱气系统。经抽真空后，充气达到常压。

b)根据脱气要求将脱气处理后的空样品管加塞子称量，精确至0.01mg。此时质量记为m1。

c)取适量样品加入到样品管中。设定加热温度（一般小于200℃），对样品加热抽空。当加热

温度达到设定温度，系统真空度达到1.3Pa时，再连续脱气至少4h。允许对样品脱气过夜。

d)取下加热套，待样品管冷却到室温，用氦气回充样品管，达到常压。

e)将脱气后的样品管冷却至室温后加塞子称量，精确至0.01mg。此质量记为m2，由m2与m1之

差得到样品净重。

注：样品需用量与比表面积反相关，样品量不足数据可能会异常，样品量×比表面积≥10，比表面

积较大得样品，质量最少也需要50mg以上，未知比表面积最少需要150mg，低比表面积得样品

需要1g以上样品量。

7.2.2死空间测定

a)向各样品杜瓦瓶加入液氮，将装有试样的样品管置于分析系统样品接口，并将压力传感器调

零。

b)将样品管浸入液氮杜瓦瓶中，控制试样到液氮面距离不低于50mm，并在整个测定过程中保

持液氮面恒定。

c)根据分析要求向分析系统歧管中充氦至79.9kPa～119.9kPa，并记录此压力和歧管温度。随

后打开待测样品阀，使氦气充入样品管。

d)平衡约5min后，记录平衡压力和歧管温度。根据记录的压力和歧管温度以及已知歧管体积，

准确计算死空间。

7.2.3吸附测定

a)根据分析要求向系统充氮，在相对压力P/P0为0.06～0.2或0.25之间实测四个以上吸附试验点。

记录相应的平衡压力P，并计算吸附量Va。

b)吸附测定时，压力变动在5min内不超过13Pa，可以视为达到吸附平衡。

c)测量并记录液氮饱和蒸气压P0。

d)完成吸附测定后，抽空排除系统及样品管内的氮气，移去液氮杜瓦瓶，待样品管温度回升到

室温，用氮气或氦气回充样品管至常压。

7.3结果计算

7

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a)根据公式（2）BET二参数方程式计算:

푷⁄푷ퟎퟏ푪−ퟏ

=+×푷⁄푷ퟎ···········(2)

푽풂(ퟏ−푷⁄푷ퟎ)푽풎×푪푽풎×푪

式中：

푃⁄푃0——相对压力；

P——平衡压力，单位为千帕（kPa）；

P0——饱和蒸汽压，单位为千帕（kPa）；

3

푉푎——氮吸附量，单位为cmSTP/g；

3

푉푚——单层吸附量，单位为cmSTP/g；

퐶——与氮气净摩尔吸附热有关的常数。

푃⁄푃01

以푃⁄푃0对作BET直线图，直接由图解法或最小二乘法求出BET直线图的截距I（即）

푉푎(1−푃⁄푃0)푉푚×퐶

퐶−1

和斜率S（即）。

푉푚×퐶

在所选BET直线范围内，各试验点对直线的偏离不大于纵坐标值的0.6%。

22

b)样品的表面积푆퐵퐸푇(m/g)按式（3）计算（氮分子横截面积取0.162nm）:

푺푩푬푻=ퟒ.ퟑퟓퟑ×푽풎···············(3)

式中：

2

푆퐵퐸푇——样品的表面积，单位为m/g；

3

푉푚——单层吸附量，单位为cmSTP/g。

3

c)单层吸附量푉푚（cmSTP/g）按公式（4）计算：

ퟏ

푽=·················(4)

풎푺+푰

式中：

3

푉푚——单层吸附量，单位为cmSTP/g；

푆——BET直线图的斜率；

퐼——BET直线图的截距。

d)孔径分布通过BJH模型，通过软件处理数据得到。

注：采用BJH模型进行孔径分布计算时存在以下假设：1）孔道是刚性的，并具有规则的形状

（比如，圆柱状或狭缝形）；2）不存在微孔（＜1.5nm）；3）最高相对压力处，所有待测定的孔隙均

已被充满。

8电阻率测试

8

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8.1测试仪器

a)光电分析天平或电子天平，精度应不小于0.1g。

b)干燥烘箱，温度可控制在0℃~300℃，控温精度为±5℃。

c)动态四探针电阻率测量仪

加压装置：可连续加压，并具有恒压力反馈调节功能，精度≥±1N；加压柱接触试样端为绝

缘材料；四探针除针尖，其余部分预包埋在下(或上)加压柱绝缘材料里，针尖与加压柱处于同

一平面，探针与加压柱内壁的绝缘电阻大于103MΩ。

试样筒：内衬为绝缘材料，容腔直径D≥10倍探针间距l（该模具可将粉体试样压制成厚度h<4l

的薄圆片）或D≥11l（该模具可将粉体试样压成厚度h>4l的棒材或厚度h≤4l的薄圆片）。

四探针装置：四探针除针尖外，其余部分预包埋在下（或上）加压柱绝缘材料里，针尖与加

压柱处于同一平面；探针间距为1mm，间距偏移率精确至0.01mm；探针间的机械游移率△l/l

＜0.3%(△l为探针间距的最大机械游移量，l为探针间距)；探针间的绝缘电阻（包括针与外壳）

大于103MΩ，见图1。

内置千分表：精度≥0.01mm。

1——加压装置；2——上加压板；3——上加压柱；4——试样筒；5——试样；6——下柱；7——压力

传感器；8——底座；9——厚度游标卡尺；10——试样筒绝缘内壁；11——厚度测量仪；12——四探

针；13——恒电流回路；14——电压测量回路。

图1动态四探针电阻率测量仪装置示意图

8.2样品制备

a)根据所选模具大小称取一定质量的样品。

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b)将样品置于干燥烘箱内105℃干燥2h,之后转移至干燥器内自然冷却。

c)用无尘纸或脱脂棉沾适量的无水乙醇清洁模具。

8.3测试方法

a)动态四探针电阻率测试仪开机预热30min。

b)将样品转移至模具中，确保样品均匀分布在模具中。

c)将模具轻放于压片机中央，按压片机操作说明,从起始压力开始每间隔300~500N测量给定压

力下试样厚度h，然后在四探针测量软件上输入厚度h以及试样桶内径，测量电阻率ρ，直至电

阻率趋于稳定。每个设置压力下，压机保持需0.5min~1min。加压过程中，当试样厚度h>4l

用棒材模式，当试样被压到厚度h≤4l，用薄圆片模式。

d)一个试样，至少平行测定两次。

e)测试完毕后，用无尘纸或脱脂棉沾适量无水乙醇将探针擦拭干净。

8.4数据处理

a）试样在某一压力下的压实密度d按照公式（5）计算。

풎

풅=×103…………(5)

푺+풉

式中:

d——压实密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)

m——试样的质量，单位为克(g)

s——试样筒的横截面积，单位为平方毫米(mm2)

h——试样的厚度，单位为毫米(mm)

b）施压过程中，在单个压力下，试样的电阻率ρ按公式（6）和公式（7）进行计算，该值一般四

探针电阻率测量仪都可以自动给出。

푼

흆=ퟐ흅풍…………(6)

푰

푼

흆=ퟐ흅풍∙푭…………(7)

푰

式中：

——四探针附近试样的电阻率，单位为毫欧厘米（Ω•cm）;

l——探针间距，单位为厘米（cm）

U——内侧两根电极所测的直流电压值，单位为伏特(V)

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I——外侧两根电极所施加直流电流值，单位为安培(A)

F——修正系数，根据试样厚度h、直径D和探针系数l，从仪器的修正系数表查询

c）以压实密度为横坐标，该压实状态下的电阻率为纵坐标做d-ρ关系曲线图，如图2所示

图2动态四探针测量石墨试样d-p关系曲线图例

d）对数据进行分析，得到电阻率达到稳定时压实密度d对应的三次平行实验的电阻率结果以及分

别对三次电阻率曲线后端三个点进行线性拟合。分别得到拟合直线y=a+bx，公式中a即为该测量条件下

的极限电阻率结果，该结果即视为该材料电阻率测试结果。

9热分解温度及灰分含量测试

9.1测试仪器

热重分析仪：推荐使用卧式热重(TGA)热分析仪。卧式热重分析仪可避免竖式分析仪中的烟卤效

应。要求天平灵敏度优于1μg，测温范围高于1000℃，DTA灵敏度优于0.01℃，量热精度士2%，可实

现气氛控制。

精密分析天平：精度0.01mg。

恒温干燥箱，可实现105℃士2℃程控恒温

马弗炉，可实现室温到1000℃程控升温

干燥器

9.2样品制备

a)坩埚选择

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坩埚大小与类型取决于所使用的仪器。除了仪器的局限性，只要可以满足盛放催化剂炭载体样品

的要求，对坩埚大小没有限制。较大的坩埚可以盛放未压实的催化剂炭载体样品。因铝坩埚不会催化

氧化催化剂炭载体而产生数据错误，推荐使用。为防止在样品分析过程中因坩埚材料氧化产生数据错

误，推荐将坩埚在空气气氛下预先加热到至少1000℃。

b)样品用量

样品量不低于3mg；室温下用微量天平称量。

c)样品处理

干燥处理。取炭载体样品，样品量满足6次独立热分析(>30mg)，放入三氧化二铝（Al2O3）坩

埚，与热分析仪专用三氧化二铝坩埚共同放人恒温干燥箱，于105℃恒温干燥处理60min，之

后置于干燥器内冷却到室温。

d)称取

利用精密分析天平称量干燥处理后热分析仪样品坩埚的质量mc。

e)样品压制

将样品进行压实是TGA和DSC测量中常用的样品制备方法。样品压制可使用压舌板用较低压

力压实。不能用制粒机等设备高压压实样品。

9.3测试过程

a)打开仪器，接通干燥空气(露点:<-43℃)，恒定气体流量100mL/min(依实验采用的不同型号

热分析仪，采用设备推荐流量)。

b)称取3mg~5mg干燥处理的炭载体(m0)放入样品坩埚，置于样品池。

c)于40℃恒温5min，以5℃/min速率升温至950℃，记录样品质量随温度的变化。

注:因炭载体类型不同，炭载体完全氧化的结束温度可能有所不同，试验终止温度应取炭载体

完全氧化温度之后50℃的温度。

d)关闭加热炉,保持干燥空气流量，冷却到室温，读取样品质量,即灰分质量(mres)。对于灰分含

量小于10%的样品，推荐采用精密分析天平称量样品坩埚和反应残余物的总质量me。

注:由于热重仪器的电子天平随时间会产生电子零点漂移或定量的重量波动,需对热重天平定

期进行校准。

e)每种材料至少进行三次平行测定。每次测试结果的有效性依表3中所列要求予以判定。

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f)当测定灰分含量小于5%时，为得到精确的样品灰分含量需要采用较大样品量(1g~3g)的灼烧

实验，通过称重得到灰分含量。灼烧实验具体操作规程见GB/T29189-2012附录B。

9.4数据处理

9.4.1热分解温度

以质量分数变化量与温度(简称TG曲线)的形式表示热重数据。

a)单阶质量降低时的热分解温度

在TG曲线中起始段上作切线和TG曲线上斜率最大点处作切线，两切线的交点(见图3中A点)，A点

所对应的温度TA为热分解温度，结果保留至小数点后一位。

图3单阶质量降低的TG曲线示例

b）多阶质量降低时的热分解温度

若质量降低等于或超过两阶时，分别按9.4.1（a）中所述方法确定A1、A2…An等点(见图4)。根据

这些点，确定不同阶段的温度TA1、TA2、…TAn等。

图4多阶质量降低的TG曲线示例

图4中A1、A2点所对应的温度TA1、TA2分别为第一阶段、第二阶段的热分解温度,结果保留至小数

点后一位。其他阶热分解温度的确定方法相同。

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如果TG曲线在第一阶和第二阶反应未呈现质量恒定过程(见图5)，则这部分曲线斜率最小点的切线

与第二阶曲线斜率最大点的切线的交点为起始点A2。

图5反应未达质量恒定的多阶质量降低的TG曲线示例

9.4.2灰分含量

炭载体灰分含量Rres按式(8)计算:

풎퐫퐞퐬

푹퐫퐞퐬=×ퟏퟎퟎ…………(8)

풎ퟎ

式中:

Rres——灰分含量,%；

m0——炭载体样品的初始质量;

mres——炭载体样品的灰分质量,表达如式(9):

풎퐫퐞퐬=풎퐞−풎퐜…………(9)

式中:

me——试样在空气气氛下升温到950℃，经干燥空气冷却到室温后,残余物和坩埚的总质量;

mc——装样品的干燥坩埚质量。

取三次独立测试结果的平均值。当个别测试结果不能满足如下误差要求时，予以剔除。

灰分含量之差(△R)与平均值(R)的比(△R/)的允许值见表3

表3灰分含量与其相对误差的最大允许值

灰分含量范围RR/

＞10%10%

10%~3%15%

＜3%20%

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10吸油值（OAN）测试

10.1试验条件

试验室环境温度：(23士2)℃。所用实验设备和试剂应在实验室温度下保持24h。

10.2试剂和材料

1.邻苯二甲酸二丁酯(DBP),其性能宜满足测出标准参比炭黑的标准值。

2.标准参比炭黑。

10.3仪器设备

1.分析天平，分度值为1mg。

2.烘箱，重力对流型，可控温度为(125±2)℃。

3.吸油计，配有一台滴定速度为(4士0.024)cm3/min的恒速滴定管。

4.干燥器。

10.4试验步骤

1.测试样品与测试标准参比炭黑应用同一批次的试剂。

2.选用高30mm，直径60mm，配有磨口玻璃盖的矮型称量瓶，将足够量的炭载体样品均匀地平

铺在称量瓶底部，并确保样品厚度不超过10mm。在(125±2)℃烘箱中干燥1h，取出放在干燥器

冷却至室温备用。当试验需要较多样品时，应使用敞口容器。

3.恒速滴定管的校准和检查按GB/T3780.2-2017附录A进行，吸油计及其校准和标准化按GB/T

3780.2-2017附录B进行。

4.称取不少于20g的炭载体样品，精确至0.01g。

6用恒温控制系统对吸油计混合室温度进行控制，保持在(23±2)℃，并将称好的样品移入吸油计的

混合室中，盖好盖子。同时，将滴定管输油管口对准混合室盖孔口上方，并设置恒速滴定管数

字计数器为零。确保滴定输送管内无气泡。

7启动吸油计，仪器开始运转并滴加油。滴加的油使半塑性的团聚物达到预设扭矩水平时，吸油

计和恒速滴定管自动关闭。炭载体吸油值均读取拟合曲线的最大扭矩70%处对应的数值。

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8卸下混合室，用刮刀小心清理转子叶片和混合室。清除所有可见的残留物并擦拭混合室和搅拌

叶片表面,使混合室洁净无油污。不宜用溶剂来清洗或抛光。

10.5数据处理

-53

1.炭载体吸油值DOAN以单位质量样品消耗油的体积计,数值以10的负5次方立方米每千克(10m/kg)

表示，用式（10）计算:

푽

푫=×ퟏퟎퟎ…………(10)

퐎퐀퐍풎

式中:

V——最大扭矩70%处对应消耗油的体积，单位为立方厘米(cm3)；

m----样品质量的数值，单位为克(g)。

11亲疏水性测试/接触角测试

11.1仪器和材料

仪器：亲水疏水测定仪/接触角测试仪，烘箱,分析天平，恒温水浴槽，粉体接触角测量仪，压片机。

材料：样品管（有刻度的石英玻璃管），样品管封口材料（滤纸），样品管管套（聚四氟乙烯材

质），石英玻璃夹套烧杯，干燥器。

11.2样品制备

工作环境：仪器环境温度处于10℃~20℃。

粉体柱的制备：

1.将粉体样品置于烘箱中,在105℃~110℃干燥2h后置于干燥器中冷却保存。

2.样品颗粒需接近或小于200目，样品需要超过200mg。

3.将试样移至于压片机中，盖好盖子后，加压至15MPa，停留10s，减压取出粉体柱，待测。

注：要求粉体柱测试表面致密、平整、无裂纹等缺陷。

11.3测试过程

将粉体柱装入粉体接触角测试仪中，保持样品管密封。

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将一定体积的液体注入夹套烧杯中，在设定温度下，将液体恒温，将仪器环境温度恒温。

使粉体柱底部与液体靠近，保持封口材料与液体接触，记录液体渗入时样品管内封闭气体的压力

变化∆P,作∆P-t关系图。

对同批次样品，进行不少于三次的平行样重复测量。平行样的K值误差应小于±10%。

11.4数据处理

在∆P-t关系图上，压力变化初始阶段是液体渗入封口材料时产生的压力变化，数据处理时应予以

扣除。以曲线上同一个时间点作为起点，选取6个以上时间段，分别计算出各时间段样品管内封闭气体

的压力差∆P，作∆P2-t近似直线的关系图，经线性拟合得斜率K。

βCOSθγ

将斜率K、液体的黏度η和液体表面张力γ,分别代入式퐾=1g中，计算各种液体的βcosθ值。

1g2η

选择βcosθ值最大的液体作为粉体的完全润湿液体,即θ=0°，计算粉体参数β值，并进一步计算其他液体

的cosθ值及各自在粉体颗粒上的接触角θ。

液体的物理化学参数见表4:

表4液体的物理化学参数（25℃）

液体表面张力黏度

编号-3-3

m乙醇/m水×10N/m×10Pa·s

1071.970.914

22037.81.815

34028.942.35

46026.482.24

58024.51.748

610022.271.096

12振实密度测试

12.1样品准备

取1.0g的炭载体，置于真空烘箱中于80℃干燥12h，作为待测样品。

12.2测试仪器

分析天平:精度为0.1mg。

测量筒：精度为0.1mL。

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12.3测试方法

按照GB/T13566-1992中的方法。

a)称量测量筒质量，记为M1，精确至0.1mg。

b)采用测试漏斗，将样品在20s～25s之内倾入测量筒中，样品量必须超过装满测量筒所需的量。在

倾入样品过程中，每秒2次至3次的频率用棒轻轻敲击测量筒壁，使样品压实紧密。若样品流动

不畅，可用直径约4mm的玻璃棒清理漏斗出料口，使之畅通。

c)关闭漏斗，使用振实仪将上下震动量筒，升降2mm～3mm，以进一步压紧样品，重复操20次，

读出样品的体积VmL。

d)称量测量筒和样品总质量，记为M2，精确至0.1mg。

12.4数据处理

按照公式（11）计算样品的堆密度：

흆=(푴ퟐ−푴ퟏ)/푽··································································(11)

式中：

휌——样品的堆密度，单位为克每毫升或克每立方厘米（g/mL或g/cm3）；

푀2——测量筒和样品的总质量，单位为克（g）；

푀1——测量筒的质量，单位为克（g）；

푉——样品的体积，单位为毫升或立方厘米（mL或cm3）。

取3个样品为一组，计算出平均值作为试验结果。

13析出杂质含量测试

13.1测试仪器

测试仪器如下：

——电感耦合等离子体分析仪（ICP）：最低检测限≤1μg/L。

——分析天平：精度为0.1mg。

13.2样品准备

炭载体样品质量不少于2g。

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将炭载体样品置于真空烘箱中于80℃干燥12h。

13.3试剂和材料

试剂和材料如下：

——浓硫酸（98%），优级纯；

——超纯水，符合GB/T6682中一级水的要求；

——带盖刚玉坩锅

13.4样品制备

a）酸洗

将0.2g炭载体置于3M的硫酸中，80℃搅拌72h。离心取100ml上清液。

b)测试样配制

将上述上清液全部转移至适量容积的容量瓶中，用超纯水定容作为测试样的初始体积，测试时取

适量该溶液按一定比例稀释到测试需要的浓度。

13.5测试方法

使用ICP对测试样品进行光谱分析，绘制析出杂质质量曲线，分析待测样品中析出杂质浓度。

13.6数据处理

炭载体样品析出杂质含量按照公式（12）计算：

푽

ퟎ.ퟐ×푪××ퟏퟎퟎ%

ƞ=풎…………(12)

ퟏퟎퟎ

式中：

ƞ——炭载体样品析出杂质M的含量，单位为%；

n——将测试样品配制为ICP分析用溶液的稀释倍数；

C——ICP测试溶液中的杂质浓度，单位为毫克每升（mg/L）；

v——配制的测试样品初始体积，单位为升（L）；

m——测试样品的总质量，单位为毫克（mg）。

14半电池催化剂炭载体耐久性测试

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14.1测试仪器

恒电位仪或电化学工作站、三电极测试系统、电解池。

14.2样品准备

测试样品应置于真空烘箱中于80℃干燥12h。

样品质量应满足3次有效试验的要求。

14.2.1催化剂制备

乙二醇还原法制备Pt/C催化剂:0.3g炭黑、80ml氯铂酸溶液（10g/L，乙二醇溶剂）、95mL乙二醇、

45mLNaOH(1mol/L)混合超声30min，置于油浴锅135℃，4小时搅拌，等待冷却至约100℃，加入6

ml分析纯硝酸。继续搅拌至常温，多次过滤洗涤，真空干燥，得到催化剂。

注：Pt/C催化剂制备推荐采用上述方案。当存在异议时可协商由厂家提供Pt/C催化剂样品。当由厂

家提供催化剂样品时，应在测试报告中说明催化剂制备基本方法。

14.3测试方法

14.3.1催化剂浆料配制

准确称取5mg士0.05mg催化剂。

向称取的催化剂中依次加入5%Nafion(D520)溶液5μL、超纯水2mL及异丙醇2mL。

用功率不低于200W的超声波超声30min,使浆液混合均匀,超声过程中需保持水浴温度不超过20℃。

注：推荐采用上述浆料配制方案，也可协商由厂家提供浆料配制方案。当由厂家提供浆料配制方

案时，应在测试报告中说明基本配制方案。

14.3.2工作电极制备

用0.5μm、0.3μm、0.1μm抛光粉依次以画“8”字的方式打磨电极6min，然后再用0.05μm抛光粉以

画“8”字的方式打磨3min，将打磨好的电极用超纯水清洗干净，再用乙醇清洗，干燥后待用。抛光的

过程能有效去除污染物并提高后续薄膜干燥后成型质量。

打开红外灯预热电极10s，将金电极置于灯下预热5s。按照电极表面催化剂担载量为50μg/cm2～

200μg/cm2，取10μl分散好的浆料分两次均匀地滴加到光滑干净的圆盘电极表面。进样器先取5μl浆料，

悬针法将浆料滴于电极中心，待电极铺展均匀后，红外灯下烘干（250W），5s左右，再重复上述操

作一遍。电极形成均匀的薄膜，超纯水润洗。

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将电极置于电解池中，组成三电极体系。其中，参比电极为标准氢电极或饱和甘汞电极

(Hg/Hg2C12/饱和KC1溶液)或氯化银电极(Ag/AgC1/饱和KC1溶液)，对电极为大面积Pt片或Pt丝,电解质

溶液为N2饱和的0.1mol/L的HClO4溶液，电解质溶液通过循环水浴控制恒温25℃。

注：考虑到氯离子对测试结果的影响，在对催化剂进行电化学性能测试时，推荐采用标准氢电极；

同时考虑到标准氢电极在使用过程中存在的安全性问题，在对催化剂进行循环测试时，推荐采用饱和

甘汞电极(Hg/Hg2C12/饱和KC1溶液)或氯化银电极(Ag/AgC1/饱和KC1溶液)。

14.3.3电化学测试

a）测试循环伏安曲线：先以200mV/s的扫描速度对催化剂进行活化，直至氢脱附峰面积(图中标

出)不再增加时，以50mV/s的速度扫描5圈，电位扫描范围为-0.05V～1.2V(vs.RHE)。

b）线性扫描伏安曲线测试：在N2饱和的0.1mol/L的HClO4水溶液中测试，工作电极转速为1600转

每分钟（1600rpm），电位扫描范围为0.05V～1.2V（vs.RHE），线性正向扫描测试，扫描

速度为10mV/s，测得的数据作为背景数据。然后在O2饱和的0.1mol/L的HClO4水溶液中测试，

工作电极转速为1600rpm，电位扫描范围为0.05V～1.2V（vs.RHE），线性正向扫描测试，

扫描速度为10mV/s，测得的数据扣除背景数据即为催化剂的ORR稳态极化曲线。

c）电位循环扫描测试：将工作电极置于电解池中，组成三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极

（Hg/Hg2Cl2/饱和KCl溶液）或氯化银电极（Ag/AgCl/饱和KCl溶液），对电极为大面积Pt片或

Pt丝电极，电解质溶液为N2饱和的0.1mol/L的HClO4溶液，电解质溶液通过循环水浴控制恒温

25℃。电位扫描范围为1.0V～1.5V（vs.RHE），扫描速度为100mV/s。按上述条件进行不

同循环次数（如1000次、3000次、5000次……）的测试。

14.4数据处理

14.4.1电化学活性面积（ECSA）

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图6Pt/C催化剂ECSA典型循环伏安曲线

对Pt/C催化剂，电化学测试ECSA获得的典型循环伏安曲线如图6所示。

选取稳定后的循环伏安曲线，对其氢脱附峰或吸附峰进行积分，得到面积S(A·V)，按公式(13)计

算电化学活性面积ECSA:

푺

푬푪푺푨=∗ퟏퟎퟎ…………(13)

(푪×풗×푴)

式中：

퐸퐶푆퐴——电化学活性比表面积，单位为平方米每克（m2/g）；

푆——氢脱/吸附峰的积分面积，单位为安伏（A·V）；

퐶——光滑Pt表面吸附氢氧化吸附电量常数，0.21毫库仑每平方厘米（0.21mC/cm2）；

푣——扫描速度，单位为毫伏每秒（mV/s）；

푀——工作电极上Pt的质量，单位为克（g）。

注：氢脱附峰积分面积获取方法：在正向电压扫描范围内（氢脱附过程），在双电层正向电流最

小值处构建一条平行于实轴的直线，在0.2-0.5VvsRHE范围内取直线与电流密度曲线间的封闭区域作

为氢脱附峰面积；或在反向电压扫描范围内（氢吸附过程），在双电层负向电流最小值处构建一条平

行于实轴的直线，在0.2-0.5VvsRHE范围内取直线与电流密度曲线间的封闭区域作为氢吸附峰面积；

如果使用脱附电荷或吸附电荷，或两者的平均值，则应在报告中指出。

14.4.2质量活性（MA）

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图7Pt/C催化剂典型半电池ORR极化曲线

对于Pt/C催化剂，通过电化学测试获得的典型半电池ORR极化曲线如图7所示。

根据测试获得的极化曲线，读取极限扩散电流密度和0.9V（vs.RHE）对应的电流密度，按公式

（14）计算动力学电流密度，进一步按照公式（15）计算催化剂的ORR质量活性（MA）：

ퟏퟏퟏ

+=·········································································(14)

풊풌풊풅풊

풊

푴푨=풌··········································································(15)

풎

式中：

2

푖푘——动力学电流密度，单位为毫安每平方厘米（mA/cm）；

2

푖푑——极限扩散电流密度，单位为毫安每平方厘米（mA/cm）；

푖——0.9V（vs.RHE）对应的电流密度，单位为毫安每平方厘米（mA/cm2）；

m——工作电极上Pt的载量，单位为微克每平方厘米（μg/cm2）；

푀퐴——催化剂的质量活性，单位为安每毫克（A/mg）。

14.4.3电化学活性面积衰减

电位循环扫描测试前，分别按照14.3.3（a）方法测试催化剂初始时的循环伏安曲线，并根据14.4.1

的数据处理方法计算得到催化剂初始时的ECSA。

电位循环扫描测试后，更换新电解液并通过CV（电位扫描范围为-0.05V～1.2Vvs.RHE；扫速50

mV/s；5圈）清洁工作电极表面，再按照14.3.3（a）方法测试催化剂的循环伏安曲线，并根据14.4.1的

数据处理方法计算得到催化剂的ECSA，可以通过不同循环次数动电位扫描前后催化剂的ECSA的变化

表征催化剂载体的稳定性。

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14.4.4质量活性衰减

电位循环扫描测试前，分别按照14.3.3（b）的方法测试催化剂初始时的极化曲线，并根据14.4.2的

数据处理方法计算得到催化剂初始时的MA。

电位循环扫描测试后，再按照14.3.3（b）的方法测试催化剂的极化曲线，并根据14.4.2的数据处理

方法计算得到催化剂的MA，可以通过不同循环次数动电位扫描前后催化剂的MA的变化表征催化剂载

体的稳定性。

15单电池催化剂炭载体耐久性测试

15.1样品准备

a)催化剂制备同14.2。

b）催化剂样品先置于真