石墨烯粉体中金属元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法编制说明

（一）工作简况

1.任务来源

本项目根据江苏省颗粒学会2024年度团体标准立项通知（苏颗学[2024]10号）《石

墨烯粉体中金属元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》（立项编号

JSPTB202402）由江苏省特种设备安全监督检验研究院（国家石墨烯产品质量检验检测中

心（江苏））、江苏省颗粒学会等单位负责制订，计划完成时间为2024年。

参加本标准起草的单位有江苏省特种设备安全监督检验研究院、上海材料研究所有

限公司、安捷伦科技(中国)有限公司等单位。

2.主要工作过程

本标准由江苏省特种设备安全监督检验研究院负责起草。本标准的编制经过了以下几

个阶段：

计划下达后江苏省颗粒学会组织各起草单位成立了起草工作组，由江苏省特种设备

安全监督检验研究院（国家石墨烯产品质量检验检测中心（江苏））牵头成立了标准编

制工作组，负责主要起草工作。工作组对石墨烯粉体材料中金属元素含量的测定进行了

全面调研，同时广泛搜集相关标准和国内外技术资料，进行了大量的研究分析、资料查

证工作，结合实际应用经验，进行全面总结和归纳，编制出《石墨烯粉体中金属元素含

量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》标准草案初稿。

2024年7月，标准制定工作组召开了两次会议，就标准草案进行讨论，确定了标准制

定原则、试验方法、部分项目的指标和验证试验安排等。通过讨论，给出了标准的修改

意见。

2024年8月，按照工作组会议的意见进行相关实验验证，进一步完成了工作组草案的

修改，并在此基础上编写了标准的审查意见稿和编制说明进行审议。

2024年10月，按照审议意见，标准文件工作组对标准进行了修订，并形成了题目为“

石墨烯粉体中金属元素含量的测定电感耦合等离子体发射光谱法”的标准文件征求意见公

开稿。

3.主要参加单位和工作组成员及其所做工作

本文件由江苏省特种设备安全监督检验研究院、上海材料研究所有限公司、安捷伦科技

(中国)有限公司参与并共同制修订。

80

主要成员有熊立斌、杨永强、刘巍、陆瑶、倪英萍等。熊立斌负责主持全面协调工

作，负责试验方案、标准文件、研究报告和编制说明编写，杨永强负责对检验方案技术

审核。其它工作承担情况见表1、表2.

表1起草单位及分工

起草单位所做工作

江苏省特种设备安全监督检调研国内外检测方法现状，制定研究方案；试验样品的搜集和分发

验研究院；完成分析方法研究工作；撰写标准文件、和编制说明；完成数据

分析统计工作。

对标准文件和研究报告中的各项试验参数进行验证；提供试验样品

上海材料研究所有限公司的精密度数据；对标准文件、研究报告和编制说明提出相应的修改

建议。

安捷伦科技(中国)有限公司对标准文件和研究报告中的各项试验参数进行验证；提供试验样品

的精密度数据；对标准文件、研究报告和编制说明提出相应的修改

建议。

表2主要工作成员所负责的工作情况

起草人所做工作

标准工作整体协调和推进；标准起草前期调研、样品搜集；试验方案的确定；

熊立斌标准文件、研究报告和编制说明编写。重复性验证试验；修改标准文件、研究

报告和编制说明。

对研究报告中各项参数条件、试验步骤以及试剂材料等进行验证；对试验样品

刘巍

进行测定；对标准文件、研究报告和编制说明提出修改建议。

对试验样品进行测试，提供比对试验数据；对标准文件、研究报告和编制说明

陆瑶

提出修改建议。

对研究报告中各项参数条件、试验步骤等进行验证；对试验样品进行测定；对

倪英萍

标准文件、研究报告和编制说明提出修改建议。

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（二）标准编制原则

为满足市场供需双方公平受益，标准格式按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准

化文件的结构和起草规则》、GB/T20001.4-2015《标准编写规则第4部分：试验方法标准》、

GB/T6379.2-2004《测量方法与结果的准确度》的要求进行了编写，力求指标科学、合理，试验方

法具有可行性和可操作性。

（三）标准主要内容的确定依据及主要试验和验证情况分析

1.标准文件编制依据

⑴满足用户需求的原则，根据目前技术水平下石墨烯产品中杂质元素含量和电感耦

合等离子体发射光谱仪检测适用范围为基础，以验证试验为依据，制定出便于实际操作

的团体标准。

⑵保持标准先进性原则，对国外先进标准进行了技术调研与分析，部分技术指标上

借鉴相关国内标准，并结合产品特点进行了针对性技术升级。

2.标准制定的主要内容

电感耦合等离子体原子发射光谱法一直以来是许多实验室测定材料中中杂质元素含量

的成熟方法，其优点是测定准确，结果稳定。而对石墨烯材料表观密度小的碳材料，碳本

身耐酸耐碱，湿法消解比较困难，样品的消解处理是检测分析的重点和难点；石墨烯材料

杂质含量对其性能影响较大，低杂质组分含量是质量控制优化的方向，确定适合的分析范

围，选择合适的检测方法对推广石墨烯材料质控意义重大；低含量金属杂质组分的电感耦

合等离子体原子发射光谱法分析，检测的检出限与检测方法、检测仪器、谱线选择相关。

本标准重点从测定范围选择、分析谱线选择、仪器参数优化、消解酸及消解方法、方法检

出限、准确性、精密度等方面进行了分析研究。

3.测定范围的确定

本标准测定的试样为石墨烯粉体材料，根据国家石墨烯产品质量检验检测中心多年石

墨烯样品中金属元素杂质含量测定的统计结果，90%以上样品中的铝、钛、铬、锰、铁、

钴、镍、铜、锌、钼含量在（3⁓500）mg/kg范围内，部分样品铁、锰含量达到1000mg/kg

以上，有的氧化石墨烯材料中钠含量达到1000mg/kg以上。GB/T42240-2022标准中的石墨

80

烯/氧化石墨烯典型样品，采用的ICP-MS方法其测定结果大多数金属元素含量在（3⁓500）

mg/kg范围。考虑石墨烯/氧化石墨烯在电池材料中的应用，参考GB/T24533-2019《锂离子

电池石墨类负极材料》、GB/T30836-2014《锂离子电池用钛酸锂及其炭复合负极材料》等

对材料杂质元素控制较好的标准，微量金属元素含量铝、铬、锰、铁、镍、铜等要求为

≤5mg/kg；石墨烯材料目前在电池上的应用只是少量添加，因此其杂质组分含量控制略宽

于这两个标准也是可以考虑。

根据上述考虑，设定本标准各元素的测定范围，具体见下表3。对质量控制要求更高的

产品，宜采取ICP-MS、AAS等检出限更低的方法。

表3各元素测定范围（mg/kg)

铝钛铬锰铁钴镍铜锌钼

10⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓10003⁓1000

4.起草单位江苏省特种设备安全监督检验研究院试验报告情况分析

4.1分析谱线的选择和线性

由于石墨烯为碳材料，消解完好的基体为一定酸含量的水溶液，基体谱线干扰少。谱

线的选择主要考虑了其强度、信背比(即SBR)、重复性(即RSD%)以及常见混标元素间的

干扰。实验测试溶液为100μg/L标准溶液，每个元素选择了三条谱线进行测试，并同时进

行了轴向和径向的分析，结果如下。

表4Al元素分析谱线的选择

167.019nm237.312nm396.152nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度702.21861.81104387345080

背景强度62.21141.52140719591016112446

SBR11.296.090.080.220.070.41

RSD%3.151.834.802.701.100.05

80

表5Ti元素分析谱线的选择

Ti336.122nmTi334.941nmTi337.280nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度1125630364765346049765310298

背景强度546826958293517966293513676

SBR0.214.360.265.780.262.80

RSD%0.910.460.160.280.180.25

表6Cr元素分析谱线的选择

Cr267.716nmCr205.560nmCr206.158nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度17707034633277114255235

背景强度1813237333051515016441

SBR0.982.961.925.380.950.81

RSD%0.620.041.430.330.920.77

表7Mn元素分析谱线的选择

Mn257.610nmMn259.372nmMn260.568nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度118104845971813007615446325

背景强度1810240813491814534696

SBR6.5220.125.3216.582.899.09

RSD%0.290.240.390.210.400.20

80

表8Fe元素分析谱线的选择

Fe238.204nmFe259.940nmFe234.35nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度3015120471692698913455424

背景强度11221579918121413361896

SBR2.697.631.845.761.012.86

RSD%0.100.210.330.490.800.12

表9Co元素分析谱线的选择

Co238.892nmCo228.615nmCo230.786nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度734310159222996612614

背景强度78910896058458131158

SBR0.932.850.982.720.812.26

RSD%0.410.20.760.520.740.48

表10Ni元素分析谱线的选择

Ni231.604nmNi216.555nmNi221.608nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度504191943816283291245

背景强度672950647953326463

SBR0.752.020.681.711.012.69

RSD%0.670.240.550.300.770.76

80

表10Cu元素分析谱线的选择

Cu327.395nmCu324.754nmCu213.598nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度10685358113866465381789

背景强度4279529834144146554839

SBR0.251.010.331.600.972.13

RSD%2.240.220.600.200.530.49

表12Zn元素分析谱线的选择

Zn213.857nmZn202.548nmZn206.200nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度250487603292108856252000

背景强度533810400662200303

SBR4.7010.818.2316.443.136.60

RSD%0.300.140.390.130.500.40

表13Mo元素分析谱线的选择Mo

Mo202.032nmMo204.598nmMo203.846nm

项目

径向轴向径向轴向径向轴向

信号强度492236440018212451121

背景强度363599538874393628

SBR1.363.950.742.080.621.79

RSD%0.380.220.910.61.221.00

从表中数据可以看出，所有元素的轴向观测各方面数据大都优于径向观测，故低含

量元素检测优先使用轴向观测。最终在综合考量了信号强度高、SBR高、重复性好三

个指标后的谱线选择如下，所有谱线的线性相关系数均可达到0.999以上。

80

表14分析谱线波长

元素AlTiCrMnFe

波长396.152nm334.941nm267.716nm257.610nm238.204nm

元素CoNiCuZnMo

波长

238.892nm231.604nm324.754nm202.548nm202.032nm

4.2仪器条件的选择

为了获得最佳检测效果，要考虑进样系统雾化效果、雾化气的等离子化效率，最终

体现在特征谱线位置的信号强度、信背比(SBR)指标。本阶段选用100μg/L标准溶液，采

用表15中选取的最佳谱线，对重要的仪器条件参数进行了研究，确定了最佳的仪器参数，

选取依据主要为信号强度、信背比(SBR)指标，具体参数选择根据各个仪器的条件会有

差别。实验采用控制变量法，每次只改变一个参数，而其它参数均使用仪器默认值。考

虑的参数宜包括RF功率、雾化气流量、冷却气流量、辅助气流量、蠕动泵转速、积分时

间等，检测分析发现：

(1)随着雾化气流量的增加，雾花室雾化效果变好，但样品气溶胶在等离子体中停留时

间会变短，因而电离效率变低，故普遍表现出离子线信号逐渐降低原子线信号有增

强，信噪比SBR普遍逐渐变大。雾化气流量宜选择中等偏上的流量。

(2)随着RF功率增大，信号呈增加趋势，而SBR呈下降趋势。这说明功率增大时，信号

增大的幅度普遍小于背景增加幅度。本标准检测分析样品溶液中金属杂质元素含量

多数在μg/L级别和几百μg/L含量范围，再优先考虑信号弱的元素的信号强度，功率可

适当选择高一点。

(3)蠕动泵转速增大，进样量增大，匹配适当增加的雾化气流量，元素信号强度和信噪

比SBR均有轻微增大，宜选择中等偏上的转速。

(4)积分时间对信号强度和SBR影响不大，但影响数据重复性RSD%，因为积分时间越

长采集的数据就越多，重复性就越好。检测发现积分时间3s以上时，RSD%变化不明

显，宜在具体设备上探讨分析。

80

表15仪器优化试验参考条件

RF功率雾化气流量辅助气流量冷却气流量蠕动泵转速

kWLPMLPMLPMrpm

1.20.71.0142.0

4.3酸及消解方法的选择

石墨烯材料的主成分是碳，耐酸耐碱，湿法消解较为困难。石墨烯材料密度小、在

一般溶解酸中的分散性较差问题，按照现有标准中涉及的样品前处理办法，如将石墨烯

材料灰化后再进行消解的方法，发现该方法也存在明显不足，一是灰化处理时可能会有

灰样飞扬造成损失、相互交叉影响等情况，而且处理过程麻烦，检测效率较低等问题；

而采用微波消解处理的方法，则存在样品量小，轻质石墨烯漂浮液面，而处理效果不佳

的情况。

试验采用合适的酸组合，使石墨烯材料转化消解变成分散性较好的石墨烯稀浆料，

过滤取清液定容制作试样溶液。消解酸选择稀硫酸（H2SO4：水=1：10）+浓硝酸。消解

方法如下：

1)称取干燥试样0.100g（准确至0.2mg，石墨烯浆料可称取0.10～0.20g）于50mlPP消解

管或者聚四氟乙烯材料的消解管中，滴加0.50mlNMP浸润5～10min，加硫酸（5.1.3）

10.0ml，盖上回流皿，加热至微沸，保持15min。

2)移去回流皿，滴加0.50ml浓硝酸，继续微沸状态加热5至10min。

3)取下稍冷，旋转摇动试样管使液面和液面附近管壁附着的样品进入溶液，用2ml硫酸

（5.1.3）,将液面和管壁上附着的颗粒滴回溶液中，再滴加过氧化氢0.50ml，液面平

静后，继续加热至微沸，保持15min。

4)取下稍冷，加水至消解管液面在30～35ml左右，放回石墨消解仪继续加热至微沸保

持30min。取下，用经过稀硫酸（1+10）淋洗的中速定量滤纸过滤，用一级水洗涤滤

渣和滤纸，滤液和冲洗液收集到50.0ml容量瓶中（保证总体积不超过刻度线），定

容，待测。

采用上述方法，消解过程中石墨烯和氧化石墨烯在消解酸中分散性较好，能消解形

成良好的石墨烯稀浆料，浆料过滤性能良好，滤液澄清。通过后续方法准确性验证，获

得了良好的效果。

80

4.4检出限

以表16系列标准溶液，采用表14的分析波长，表15的仪器参数，绘制标准工作曲线。

进C0标准溶液，即空白样品（含硫酸：硝酸：水=2:1:100）为样品，用Agilent5800等离

子体发射光谱仪轴向观察重复11次测量，结果统计见表17。本标准分析的10个元素的检

出限均可小于1.0μg/L。同样的方法，用赛默飞ICAPPRO进行检出限分析，本标准分析的

10个元素的检出限也小于1.0μg/L。

表16系列标准溶液中的浓度推荐值，μg/L

标样编号铝钛铬锰铁钴镍铜锌钼

c61000100010001000100010001000100010001000

c5200200200200200200200200200200

c4100100100100100100100100100100

c320202020202020202020

c210101010101010101010

/p>

C00000000000

表17空白样品分析结果，μg/L

项目AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

--

10.130.010.060.590.130.020.020.05

0.330.10

------

20.230.060.600.01

0.060.240.160.140.440.33

------

30.000.010.560.15

0.100.220.040.300.120.37

------

40.320.570.070.03

0.010.060.020.040.310.10

----

50.070.030.570.110.260.00

0.010.210.310.01

----

60.440.060.550.040.070.30

0.070.110.400.06

80

------

70.020.020.580.25

0.060.050.020.010.450.36

-----

80.010.570.000.180.10

0.070.050.200.380.30

-------

90.550.250.02

0.280.010.040.060.100.040.34

------

100.020.580.150.31

0.170.030.010.160.330.09

-----

110.620.260.020.110.20

0.260.040.130.400.04

----

平均0.040.000.580.000.070.01

0.040.010.370.11

SD0.220.030.060.020.180.060.180.130.050.15

3SD0.660.090.170.060.550.170.550.390.140.45

4.5方法准确性

为验证方法准确性，拟按照样品制备流程，取不同的石墨烯材料制备样品溶液六份

（指不加标的一份、加标浓度为10μg/L、60μg/L的各一份）进行元素浓度检测，计算两个

浓度水平下的加标回收率，回收率水平均在80%～120%之间（见表21、表22）。

表18石墨烯样品杂质含量测试值，μg/L

样品AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1b467.64.13367.410.25631.93.745.2361.0963.620.25

2b54.21.59107.34.23176.45.252.2855.9228.510.62

3b23.570.848.162.7647.281.481.1618.5-0.080.27

4b14.50.602.862.1061.050.261.580.07-0.10-0.03

5b31.210.904.973.2972.711.402.220.030.020.18

6b50.261.69107.45.65112.01.481.289.921.820.72

表19石墨烯样品加标10μg/L后杂质含量测试值，μg/L

80

样品AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1b+10478.613.68375.619.1641.212.6614.0672.175.318.87

2b+1065.3511.2118.214.15184.714.5811.167.5239.639.29

3b+1031.7910.0217.3912.4456.3510.4310.4127.629.88.34

4b+1023.5710.0811.1211.4169.969.1510.28.729.58.54

5b+1039.4110.5414.0512.7181.8310.3711.498.689.28.45

6b+1059.3211.23115.614.3120.910.8610.0419.6210.429.54

80

表20石墨烯样品加标60μg/L后杂质含量测试值，μg/L

样品AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1d+60516.961.72420.766.14688.259.5659.48126.4121.355.55

2d+60109.861.37172.562.04224.463.1458.99119.487.1458.90

3d+6072.959.5365.559.08104.557.5956.5676.6452.3657.09

4d+6067.561.3260.060.46114.958.4758.858.9555.4757.79

5d+6088.257.1259.5856.85124.755.6154.5555.1457.8453.99

6d+60102.557.44155.357.88167.855.2554.1165.6354.4654.49

表21石墨烯样品加标10μg/L杂质元素时的加标回收率，%

样品AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1b+1011096828992898811011786

2b+10112961099983938811611187

3b+1082929297919093919981

4b+1091958393898986879686

5b+1082969194919093879283

6b+1091958287889488978688

表22石墨烯样品加标60μg/L杂质元素时的加标回收率，%

样品AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1d+60829689939493901099692

2d+6093100109968096951069897

3d+6082989694959492978795

4d+60881019597909795989396

5d+6095949189879087929690

6d+6087938087939088938890

80

4.6方法精密度试验

按照试验方法，取三个不同的石墨烯材料制备的样品溶液进行测定，每个样品溶液

测定8次，计算各结果都相对偏差，结果见表23，结果表明RSD在0.85%～4.9%之间，说明

方法具有良好的精密度。

表23精密度试验结果（n=8)

元素AlTiCrMnFeCoNiCuZnMo

1#测定值

23.00.527.132363.70.302.42.28.8

μg/L

RSD/%3.94.14.00.851.31.84.94.83.81.7

2#测定值

12.38.314.28.1801.54.21.03.79.3

μg/L

RSD/%0.983.32.10.922.01.381.62.62.61.66

3#测定值

9.816.114.86.716.05.26.04.117.28.3

μg/L

RSD/%2.73.13.41.61.71.672.12.21.92.0

（四）标准文件中涉及专利的情况

在力所能及的范围内，经查本标准不涉及相关专利。

（五）预期达到的社会效益

（六）与国内、外同类标准水平比对情况

石墨烯材料中杂质金属元素含量的测定，尚无成熟的国际标准，地方标准有河北省

DB13/T5025.4-2019、黑龙江DB23/T2314—2019；团体标准有中关村华清石墨烯产业技

术创新联盟的T/CGIA012—2019；国家标准有GB/T42240-2022。与上述标准相比，本标

准从提高石墨烯材料在消解酸中的分散性，提高分析样品取样量角度出发，选用了稀硫

酸+有机分散剂+硝酸+双氧水多步处理的消解方法，能有效地使石墨烯材料在浆料状态下

分散均匀，释放出金属杂质元素到滤液中去。本方法可以与电感耦合等离子质谱法测定

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石墨烯粉体中金属杂质含量（如GB/T42240-2022）的方法形成互补，满足更多石墨烯材

料用户及第三方检测机构检测分析的需要。

（七）与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系

本部分编制原则符合国家的有关法规法律，与强制性国家标准协调一致。

（八）重大分歧意见的处理经过和依据

暂无。

（九）标准文件性质的建议说明及采用范围

本文件属性定为自愿性团体标准。

（十）贯彻标准文件的要求和措施建议

标准批准发布实施以后应及时组织标准宣贯和推广，以利于对标准的正确理解和执

行。

（十一）废止现行相关标准文件的建议

不涉及废止现行的有关标准。

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江苏省颗粒学会团体标准

《石墨烯粉体中金属元素含量的测定

电感耦合等离子体发射光谱法》

团体标准编制说明

(征求意见稿)