氧化铱（IrO₂）作为一种高效的氧析出反应（OER）催化剂，因其优异的催化活性和稳定性，在水电解、燃料电池和金属空气电池等领域具有广泛的应用前景。
近年来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，IrO₂的催化性能得到了显著提升，尤其是在结构调控、表面修饰和复合材料设计等方面取得了重要进展。
本文将从IrO₂的合成方法、结构特性、催化性能以及改性策略等方面进行详细分析，并结合相关研究结果，探讨其在实际应用中的潜力与挑战。
IrO₂的催化性能与其合成方法密切相关。不同的合成方法（如水热法、溶胶-凝胶法、熔融法、化学气相沉积法等）会影响其晶体结构、粒径分布、表面形貌和电子结构，从而影响其催化活性和稳定性。
例如，Simoné Karels等人在2022年的研究中指出，使用MAFM（可能指某种特定的合成方法）合成的IrO₂在0.5 M H₂SO₄溶液中表现出比商业IrO₂更高的催化活性。此外，温度对IrO₂的结构和性能也有显著影响。
在350°C、500°C和650°C下合成的IrO₂在循环伏安（CV）测试中表现出不同的电化学活性，其中650°C下合成的IrO₂在高电位下的电流密度显著增加，显示出优异的催化性能。
IrO₂的催化性能与其晶体结构密切相关。IrO₂通常具有α-Fe₂O₃型结构，其中Ir原子位于氧八面体的中心，形成IrO₆配位。研究表明，IrO₂的催化活性主要来源于其表面的Ir位点，而这些位点的电子结构和配位环境对催化性能有重要影响。
例如，西安交通大学杨生春团队通过电化学循环伏安法（CV）调控IrO₂的电子结构，成功优化了析氢反应（HER）的动力学，提高了催化剂的性能。
此外，IrO₂的表面结构演变也对其催化性能产生影响。在乙烷化学链氧化脱氢（CL-ODH）反应中，IrO₂表面的晶格氧会随着反应的进行而被消耗，导致部分还原，从而影响催化性能。
IrO₂在OER中的催化性能通常通过线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）和计时电位法（CP）等电化学测试方法进行评估。
在0.5 M H₂SO₄溶液中，IrO₂的起始电位（onset potential）通常在1.43 V左右，而其质量活性（mass activity）在1.60 V时约为1000 A g⁻¹。相比之下，商业IrO₂在相同条件下表现出较低的催化活性。
此外，IrO₂的过电位（overpotential）是衡量其催化性能的重要指标。研究表明，IrO₂的过电位通常在200 mV左右，而通过掺杂、表面修饰和结构调控等方法可以进一步降低其过电位。
例如，IrO₂/N-rGO复合材料在OER中的过电位仅为70 mV，远低于传统IrO₂催化剂。
为了进一步提高IrO₂的催化性能，研究者们提出了多种改性策略，包括掺杂、表面修饰、复合材料设计和结构调控等。例如，通过掺杂Cr或Ni，可以增加IrO₂的表面缺陷结构，从而提高其催化活性。
在碱性条件下，Cr@IrO₂-B和Ni@IrO₂-B表现出比其他Cr@IrO₂和Ni@IrO₂更好的催化性能。
此外，IrO₂与MoS₂、ZnO、GCN等材料的复合也可以显著提高其催化性能。例如，IrO₂/MoS₂异质结在OER中的过电位仅为278 mV，远低于传统IrO₂催化剂。
尽管IrO₂在OER中表现出优异的催化性能，但其高成本和稀缺性限制了其大规模应用。因此，研究者们正在探索低铱负载的IrO₂催化剂，以提高其经济性和可持续性。
例如，IrO₂@TaB₂催化剂在IrO₂负载量仅为0.62 at.%时，仍表现出优异的催化性能。此外，IrO₂的稳定性也是其应用中的一个重要挑战。研究表明，IrO₂在高电流密度下容易发生溶解，因此需要通过结构调控和表面修饰来提高其稳定性。
IrO₂作为一种高效的OER催化剂，其催化性能与其合成方法、结构特性、表面修饰和复合材料设计密切相关。通过优化合成条件、调控表面结构和引入异质结，可以显著提高其催化活性和稳定性。
未来的研究应进一步探索低铱负载的IrO₂催化剂，以提高其经济性和可持续性，同时开发新型的IrO₂基催化剂，以满足工业应用的需求。
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