这是一篇发表于 Separation and Purification Technology 的综述论文，题为“advancing electrode durability: failure mechanism, evaluation criteria, and engineering strategies for titanium-substrate metal oxide anodes”，作者为 luping zhang、xiaosheng jing、zekun zhang、xu liu、xue wang、qiao li、hao xu 和 wei yan，通讯作者为 hao xu，主要来自西安交通大学环境科学与工程系及合作企业，论文于2026年3月在线发表。文章系统梳理了钛基金属氧化物阳极（dimensionally stable anodes，DSA）耐久性的研究进展，重点围绕制备方法、评价标准、失效机制和改性策略展开，旨在为下一代长寿命DSA的理性设计提供理论框架。以下将从主要观点出发，逐一介绍文章的核心内容并阐释其支撑论据。

第一，制备方法是决定DSA耐久性的关键前提。 文章比较了五种主流制备技术，指出热分解法、磁控溅射法、电沉积法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法各有其优势与局限。热分解法因其工艺成熟、成本较低，是当前工业上应用最广泛的方法，例如在氯碱工业和水处理中常以Ti/RuO₂–TiO₂、Ti/SnO₂–Sb₂O₅为典型体系。其不足在于反复沉积-退火过程会产生内部应力，导致涂层微裂纹网络，成为电解液渗透和涂层剥离的通道。文中以Seyyed等人的研究为例，Ta₂O₅的加入虽然改变了失效方式并提高电化学活性面积，但Ta₂O₅分布不均会形成局部原电池，反而加速涂层溶解；在2 A/cm²下，含2 wt% Ta₂O₅的电极寿命为60小时，含5 wt% Ta₂O₅为98小时，均低于无Ta₂O₅电极的120小时。磁控溅射能够制备致密、无裂纹的纳米涂层，膜基结合力强，适用于高精度场景，但靶材成本高、沉积速率低，难以大面积均匀镀膜。Zhang等人通过磁控溅射在钛毡上制备IrO₂@Ti电极，仅需约0.06 mg/cm²的铱负载量即可在质子交换膜电解槽中稳定运行200小时。电沉积法可在室温常压下实现复杂基体上的沉积，但涂层结晶度和致密度较低，附着力有限，工艺重现性受电解液组成和pH波动影响大。化学气相沉积虽能制备高纯、超致密薄膜，但高温和高真空要求带来高能耗，且前驱体往往有毒或高活性。溶胶-凝胶法能够在较低温度下制备高均匀性涂层，但干燥和煅烧过程中的毛细收缩应力易导致涂层开裂或与基体剥离。总体而言，没有一种方法能同时优化所有评价参数，未来应发展复合制备路线以综合提升性能。

第二，耐久性评价需要多参数耦合诊断框架。 文章指出，常规加速寿命试验常在远高于实际运行的电流密度下进行，例如≥1 A/cm²，这会加速阳极电位正移、活性组分溶解和气泡导致的涂层剥落。然而，加速寿命与实际寿命之间并非线性关系。Hine等人的研究表明，高电流密度下氧化物涂层加速降解，低电流密度下的耐久性不能直接从加速数据外推。文中给出了常用的经验模型CL = AL·（I_actual/I_accelerated)^n，其中n为修正因子，通常在1.4至2.0之间，且会随电解液体系或电位窗口的不同而变化。此外，电解液pH和组成会决定降解路径。在硫酸盐体系中评估析氧反应下的稳定性，在含氯体系中则模拟氯碱或含氯废水环境，两者不能直接比较。文章进一步批评仅以固定电压（如10 V）作为失效判据过于简化，认为应结合电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、电化学活性面积（electrochemically active surface area，ECSA）衰减监测。EIS中电容上升提示开裂或孔隙增加，电阻上升反映活性位点损失；ECSA下降则反映组分溶解、气泡剥落或相变引起的可反应位点减少。作者还提出，应在标准化加速寿命试验中同时记录工作电压、EIS和ECSA数据，利用机器学习模型预测更普适的失效阈值，突破单一绝对阈值的局限。热循环测试则用于评估涂层与钛基体在热应力循环下的附着稳定性，模拟启停和间歇运行条件。文章强调，加速测试可能诱导与实际操作不同的主导失效机制，因此未来需要系统比较加速和实际条件下的失效形貌、成分演化和电化学特征，以校准加速因子并建立可靠的转换模型。

第三，涂层剥落、活性层溶解和钛基体钝化是三种相互耦合的主要失效机制。 涂层剥落往往在制备阶段就已埋下隐患，传统热分解法因钛基体与金属氧化物涂层热膨胀系数不匹配而产生热应力，冷却后形成“泥裂”状微裂纹网络。Takasu等人对工业氯碱槽中运行超过10年的RuO₂–TiO₂/Ti和IrO₂–RuO₂–TiO₂/Ti电极进行研究发现，RuO₂–TiO₂/Ti阳极在高电流密度下发生局部涂层剥离和广泛微裂纹，活性RuO₂溶解损失高达43%，而IrO₂的加入显著抑制了裂纹扩展。氧析出气泡的反复成核、生长和脱离会在涂层表面施加循环机械应力，加剧裂纹扩展并使涂层被机械抬起。活性涂层溶解则是一个逐层的化学损耗过程。热力学分析显示，RuO₂在阳极电位超过1.387 V（vs. SHE）时被氧化为RuO₄，随后水解为RuO₂·H₂O并沉积在电解槽底部。Wang等人在4 A/cm²加速寿命测试中发现，约5.4%的氧化物涂层溶解进入电解液，约2.3%的涂层剥落，共同驱动电极性能衰减。溶解倾向于优先发生在晶界、位错和微裂纹等结构缺陷处，这些区域原子排列无序且化学键较弱，且电解液容易渗透。钛基体钝化则表现为在钛-涂层界面生成致密的绝缘性TiO₂膜，导致界面电阻急剧增加。Wang等人利用X射线吸收精细结构谱和X射线光电子能谱发现，钝化膜的形成和生长主要由Ti–O配位数增加驱动，钝化区内Ti–O平均配位数达到5.61。Guo等人对Ti/IrO₂–Ta₂O₅电极的研究表明，IrO₂优先溶解增加涂层孔隙率，同时在保护不足处钛氧化物层连续生长，厚度可达320–410 nm，其生长机制以氧空位介导的内生长为主，并伴随非晶钛氧化物向金红石型TiO₂结晶。三种机制并非独立，溶解削弱涂层结构，促进裂纹扩展和电解液渗透，进而加速基体钝化和界面剥离。目前定性描述已较清晰，但溶解速率与钝化速率之间的定量耦合关系仍未建立，这是未来研究的重要方向。

第四，耐久性工程策略包括钛基体抗钝化改性与涂层耐蚀改性两大路径。 钛基体改性通过原位生长或表面涂镀形成扩散阻挡层，抑制活性氧和电解液向钛界面传输。原位热氧化可在400–450 °C下在钛表面生成化学键合的TiO₂层；阳极氧化可制备TiO₂纳米管阵列，增加后续活性涂层的附着面积。Zahedi等人通过改变阳极氧化时间控制纳米管长度，将加速寿命提高约20%。微弧氧化则利用等离子体电解氧化在表面原位生成含TiO₂及多种复合氧化物的过渡层，Wang等人发现选择性激光熔化成形的钛合金基体可降低击穿电压并促进均匀放电，显著提高耐蚀性。表面涂镀法灵活性更高，金属涂层如Pt、Ta可作为导电桥并增强结合力；金属氧化物层如Ta₂O₅、SnO₂可形成稳定屏障。Fan等人在Ti与IrO₂之间引入Ta₂O₅中间层，在1 M H₂SO₄中4 A/cm²下将加速寿命延长20%。Shao等人通过形成TiHₓ中间层与Sn、Sb反应生成Ti-Sn-Sb三元氧化物固溶体，将加速寿命从约14小时提高到约72小时。非氧化物陶瓷涂层如TiN具有高硬度和良好导电性，Tang等人通过电弧喷涂TiN层将Ti/PbO₂电极在1 M H₂SO₄、1 A/cm²下的加速寿命从21.5小时提高到172小时。涂层自身耐蚀改性主要包括元素掺杂和复合改性。贵金属掺杂如Pt、Ru可提升酸性高电位下的稳定性，Berenguer等人发现Pt和少量Ru共掺杂使Ti/SnO₂–Sb电极在碱性介质中的加速寿命约提高一倍。贱金属掺杂如Cu可优化电子结构并提高羟基自由基产率，Lu等人报道Cu掺杂使四环素降解速率常数提高9至45倍。稀土元素掺杂如Ce、Dy、La、Eu可抑制TiO₂绝缘层形成并提高析氧过电位，Zhu等人发现La掺杂电极寿命为64.8小时，是未掺杂电极的两倍。复合改性通过引入石墨烯、导电聚合物或金属碳化物等构建三维导电网络并强化微结构。Feng等人将蓝色TiO₂纳米管与Ce和CTAB共电沉积到β-PbO₂层中，理论寿命预计可达6792小时。沉积参数控制同样关键，涂层过薄无法形成连续保护层，过厚则会增加内应力并加剧裂纹扩展；热分解温度过低结晶不充分，过高则导致晶粒粗化或不利相变。Zhou等人发现12层Ti/RuO₂–IrO₂–TiO₂电极加速寿命可达356.3小时，远高于单层的2.91小时。

最后，文章展望了未来三个关键方向。 第一，弥合加速寿命试验与实际耐久性之间的差距，建立多参数评价标准和基于原位/操作条件下诊断工具的真实工况预测模型。第二，解耦并耦合多种失效机制，从“局部优化”转向“整体耦合设计”，利用先进表征手段揭示不同时间和空间尺度上的失效序列。第三，拓展DSA在电催化CO₂还原和复杂污染物降解等新兴应用中的作用，但复杂介质中的多应力协同失效比传统电解液更快且更复杂，仍需通过多尺度设计、原位表征和理论建模来保障长期稳定运行。该综述的价值在于将制备、评价、失效和改性四个环节纳入统一框架，为工业级高性能DSA的理性设计提供了系统性参考。