五氧化二钒（V₂O₅）作为一种重要的过渡金属氧化物，因其在多种催化反应中的优异性能而受到广泛关注。特别是在析氧反应（OER）中，V₂O₅表现出良好的催化活性，但其性能受限于其结构特性，如电子导电性、活性位点密度和反应动力学。
近年来，通过材料设计和结构调控，V₂O₅的OER性能得到了显著提升，尤其是在与碳材料、金属氧化物复合后，其催化性能进一步优化。以下将从V₂O₅的OER性能、结构调控策略、复合材料设计以及实际应用等方面进行详细探讨。
V₂O₅的OER性能
V₂O₅在OER中的催化性能与其结构密切相关。研究表明，V₂O₅的OER过电位通常较高，例如在1 M KOH溶液中，纯V₂O₅的过电位约为490 mV，塔菲尔斜率约为130 mV/dec。这表明其OER活性较低，主要受限于其电子导电性差和活性位点不足。然而，通过结构调控和材料改性，V₂O₅的OER性能可以显著提升。
例如，文献中报道了一种通过水热法合成的V₂O₅纳米棒，其在1 M KOH溶液中表现出较低的过电位（310 mV）和较小的塔菲尔斜率（88 mV/dec）。这表明，纳米结构的V₂O₅具有更高的比表面积和更丰富的活性位点，从而提高了其OER活性。
此外，V₂O₅的多价态特性也为其OER性能提供了理论基础。V元素的多价态可以调节其价电子结构，从而丰富活性中间体（如*OH、O和OOH），进一步促进OER反应的进行。
V₂O₅的结构调控策略
为了提高V₂O₅的OER性能，研究者们提出了多种结构调控策略，包括纳米结构设计、缺陷工程、界面工程以及与其他材料的复合。
1. 纳米结构设计
纳米结构的V₂O₅具有更高的比表面积和更丰富的活性位点，从而显著提高其OER性能。例如，文献中报道了一种2D扁平纳米棒状的V₂O₅，其在1 M KOH溶液中表现出较低的过电位（310 mV）和较小的塔菲尔斜率（88 mV/dec）。
此外，文献中还报道了一种3D V₆O₁₃纳米纤维结构，其在锂离子电池中表现出优异的电化学性能，这表明纳米结构的V₂O₅在储能和催化领域具有广阔的应用前景。
2. 缺陷工程
缺陷工程是提高V₂O₅OER性能的重要手段。通过引入氧空位或其他缺陷，可以增加活性位点的密度，从而提高催化活性。例如，文献中报道了一种在Co泡沫上合成的V₂O₅纳米片阵列，其中氧空位的引入显著提高了其OER性能，过电位降低至51 mV。此外，文献中还发现，V₂O₅的（010）晶面是其OER活性的主要贡献面，这表明通过控制晶面暴露可以进一步优化其催化性能。
3. 界面工程
界面工程是提高V₂O₅OER性能的另一重要策略。通过构建异质结或与其他材料形成复合物，可以增强电子传输和活性位点的协同作用。例如，文献中报道了一种CoV₂O₆-V₂O₃/NRGO复合材料，其在1 M KOH溶液中表现出优异的OER性能，过电位仅为239 mV。此外，文献中还发现，V₂O₅与石墨烯或g-C₃N₄等材料复合后，可以构建异质结，从而提高光催化性能。
4. 与其他材料的复合
通过与其他材料的复合，可以进一步提高V₂O₅的OER性能。例如，文献中报道了一种活性炭修饰的V₂O₅纳米复合材料（AC-V₂O₅），其在1 M KOH溶液中表现出较低的过电位（230 mV）和较小的塔菲尔斜率（54 mV/dec）。这种复合材料通过高离子存储容量和高电导率的协同作用，显著提高了其OER性能。
此外，文献中还发现，V₂O₅与IrO₂的复合可以显著提高其OER性能，过电位仅为266 mV。
V₂O₅的复合材料设计
为了进一步提高V₂O₅的OER性能，研究者们设计了多种复合材料，包括金属氧化物复合材料、碳材料复合材料和异质结复合材料。
1. 金属氧化物复合材料
金属氧化物复合材料是提高V₂O₅OER性能的重要手段。例如，文献中报道了一种CoV₂O₆-V₂O₃/NRGO复合材料，其在1 M KOH溶液中表现出优异的OER性能，过电位仅为239 mV。此外，文献中还发现，V₂O₅与Ru的复合可以显著提高其OER性能，过电位降低至320 mV。
2. 碳材料复合材料
碳材料复合材料是提高V₂O₅OER性能的另一种有效策略。例如，文献中报道了一种活性炭修饰的V₂O₅纳米复合材料（AC-V₂O₅），其在1 M KOH溶液中表现出较低的过电位（230 mV）和较小的塔菲尔斜率（54 mV/dec）。
这种复合材料通过高离子存储容量和高电导率的协同作用，显著提高了其OER性能。此外，文献中还发现，V₂O₅与碳纳米管的复合可以显著提高其OER性能，过电位降低至155 mV。
3. 异质结复合材料
异质结复合材料是提高V₂O₅OER性能的另一种有效策略。例如，文献中报道了一种V₂O₅/BiVO₄/TiO₂纳米复合材料，其在可见光下表现出优异的光催化活性，可用于分解气态甲苯。此外，文献中还发现，V₂O₅与g-C₃N₄的复合可以显著提高其光催化性能，用于降解有机污染物。
V₂O₅的实际应用
V₂O₅在多种催化反应中具有广泛的应用前景，包括OER、HER、光催化和脱硫等。
1. OER催化
V₂O₅在OER中的应用主要集中在水电解和氢气生产领域。例如，文献中报道了一种IrO₂/V₂O₅催化剂，其在1 M KOH溶液中表现出优异的OER性能，过电位仅为266 mV。此外，文献中还发现，V₂O₅与Co的复合可以显著提高其OER性能，过电位降低至320 mV。
2. HER催化
尽管V₂O₅通常被认为是一种HER不活性材料，但通过缺陷工程和界面工程，其HER性能可以得到显著提高。例如，文献中报道了一种V₂O₅纳米片阵列，其在1 M KOH溶液中表现出较低的HER过电位（51 mV）。此外，文献中还发现，V₂O₅与Ni的复合可以显著提高其HER性能，过电位降低至39 mV。
3. 光催化
V₂O₅在光催化领域具有广泛的应用前景，包括光催化降解有机污染物和光催化产氢。例如，文献中报道了一种V₂O₅纳米柱，在Na₂SiO₃牺牲剂存在下表现出最高的产氢速率（65.5 μmol g⁻¹ h⁻¹）。此外，文献中还发现，V₂O₅与BiVO₄的复合可以显著提高其光催化性能，用于分解气态甲苯。
4. 脱硫
V₂O₅在脱硫领域具有重要的应用价值。例如，文献中报道了一种V₂O₅催化氧化深度脱硫技术，其在模拟油中表现出较高的脱硫率（84.6%）。此外，文献中还发现，V₂O₅与H₂O₂的复合可以显著提高其脱硫性能，用于处理直馏汽油。