氧缺陷结构MoOx修饰IrO2-Ta2O5电极的高效析氯反应及其海水电解应用

本文针对海水电解中低氯离子浓度和中性环境下析氯反应(CER)选择性不足的难题，通过反应溅射法制备了具有氧缺陷结构的MoOx修饰IrO2-Ta2O5电极(MoOx@IrO2-Ta2O5)。研究发现该电极在4.0 M NaCl(pH=1)和0.6 M NaCl(pH=6.88)中CER电流效率分别达97.5%和90.0%，过电位降低50%以上，为工业电解和海洋防污技术提供了高效催化材料。

　　

在海洋资源开发和环境保护领域，如何高效利用海水电解产生活性氯一直是科学家们关注的焦点。活性氯不仅广泛应用于氯碱工业，还在电化学高级氧化工艺(AC-EAOPs)和海洋设备现场电解防污技术(OS-EAT)中扮演关键角色。然而，海水环境特有的低氯离子浓度和中性pH条件，使得传统电极材料面临析氯反应(CER)选择性差、过电位高等瓶颈问题。目前商业化的Ru/Ir基尺寸稳定阳极(DSA)在强酸性高盐条件下表现优异，但在接近实际海水的环境中性能急剧下降，这严重制约了相关技术的发展。

湖北省某研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表的研究中，创新性地采用反应溅射法构建了具有氧缺陷的MoO_x修饰IrO₂-Ta₂O₅电极。该工作通过调控钼的氧化状态，成功解决了中性环境下CER选择性不足的核心难题，为海洋电化学技术提供了新型催化材料。

关键技术方法
研究采用热分解法制备IrO₂-Ta₂O₅基底电极，通过高真空磁控溅射实现Mo/MoO_x表面修饰。结合X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析晶格参数和电子结构变化，采用线性扫描伏安法(LSV)和计时电位法评估电催化性能，通过紫外分光光度法测定电流效率(CE)。

研究结果

1. 材料设计与表征
MoO_x修饰引起IrO₂晶格膨胀（晶面间距从0.315增至0.325 nm），XPS显示Ir 4f结合能负移0.3 eV，证实电子结构重构。氧缺陷浓度与Mo氧化态呈正相关，部分氧化的MoO_x表现出最优缺陷结构。

2. 电催化性能突破
在模拟工业环境（4.0 M NaCl，pH=1）中，MoO_x@IrO₂-Ta₂O₅的η₁₀过电位仅30 mV（较基底电极降低64%），CE达97.5%。更惊人的是在模拟海水（0.6 M NaCl，pH=6.88）中仍保持90.0%的CE，η₁₀为97 mV，显著优于文献报道的Ru基催化剂（80% CE）。

3. 构效关系解析
活性顺序MoO_x@IrO₂-Ta₂O₅ > Mo@IrO₂-Ta₂O₅ > MoO_3-x@IrO₂-Ta₂O₅证实部分氧化态钼的氧缺陷是关键活性位点。Tafel斜率分析表明，修饰电极的速率决定步骤(RDS)从基底电极的Cl吸附过程转变为电子转移步骤，动力学障碍降低40%。

结论与展望
该研究通过精准调控氧缺陷结构，实现了IrO₂-Ta₂O₅电极在中性环境下的CER性能突破，其电流效率（90.0%）和稳定性均达到工程应用要求。这不仅为氯碱工业节能降耗提供新思路，更解决了海洋防污技术中活性氯生成效率低的核心痛点。未来研究可进一步探索氧缺陷浓度与催化活性的定量关系，并开展实际海水条件下的长期稳定性测试。