本文为综述论文，作者为Guan-ting Pan、Allan Kwang Loon Ang和Aleksandar N. Nikoloski，研究机构为澳大利亚莫道克大学（Murdoch University）萃取冶金中心（Extractive Metallurgy Hub, Harry Butler Institute），发表于期刊 *Inorganics*，文章于2026年6月28日收稿，2026年8月24日在线发表，DOI为10.3390/inorganics14090225。文章系统综述了金属氧化物涂层阳极，特别是基于RuO₂和IrO₂的尺寸稳定阳极（dimensionally stable anode，DSA）的研究进展，涵盖阳极结构、制备方法、失效机制、涂层组成及工业应用等多个方面。

一、学术背景与综述目的

在电化学工业中，阳极材料直接决定反应效率、产物选择性、能耗和长期运行稳定性。传统阳极材料如石墨、铂、磁铁矿和二氧化铅虽然具有导电性或化学稳定性，但在强腐蚀或高极化条件下往往存在耐蚀性不足、成本高或寿命短等问题。自1969年H. B. Beer发明钛基尺寸稳定阳极以来，金属氧化物涂层阳极成为工业电化学领域的重要发展方向。其中，RuO₂和IrO₂涂层因兼具高电催化活性、良好的导电性和化学稳定性而成为最具代表性的体系，广泛应用于氯碱工业、电解水、废水处理和阴极保护等场景。

然而，阳极的实际性能不仅取决于催化涂层本身，还受基底材料、中间层设计、制备方法、降解行为和热处理条件等因素的共同影响。已有综述多侧重于阳极材料的大类划分或具体应用的性能评价，较少从结构、制备、失效机制和工业可扩展性相结合的角度系统梳理RuO₂和IrO₂基体系。因此，本文旨在从“结构—制备—降解—应用”的整合视角，全面总结金属氧化物涂层阳极的最新进展，为高性能、长寿命阳极的研发和规模化制造提供参考。

二、阳极结构与组成

阳极通常由基底（substrate）和涂层（coating layer）两部分组成。基底提供机械支撑和结构稳定性，涂层则承担电催化活性、电子导电和长期耐久功能。钛、钽、铌、锆和钨等阀金属（valve metals）因能在表面形成钝化氧化膜而成为常用基底材料，其中钛因机械强度高、化学稳定性好、成本较低而应用最广。涂层则包含电催化剂、稳定剂、粘结剂和导电组分，各组分的协同作用决定阳极的总体性能。

在涂层材料方面，RuO₂和IrO₂均具有金红石型四方晶体结构，金属阳离子位于八面体中心，氧原子处于配位位置。Ru 4d和Ir 5d轨道与O 2p轨道杂化形成宽电子带，赋予二者金属导电性和快速电荷转移能力。RuO₂通常具有更高的析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）活性，但酸性条件下稳定性较差；IrO₂则以优异的电化学稳定性见长。因此，RuO₂与IrO₂或其与TiO₂、ZrO₂、SnO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅等辅助氧化物的复合涂层被广泛用于平衡活性与稳定性。

三、主要制备方法

涂层阳极的制备方法主要包括热分解法（thermal decomposition）、电化学沉积（electrochemical deposition）、溶胶–凝胶法（sol–gel processing）和磁控溅射（magnetron sputtering）。不同方法在涂层结构、组成控制、附着力、成本和可扩展性方面各有优劣。

热分解法是最传统且工业上最常用的方法。其过程是将含金属盐的前驱体溶液涂覆于钛基底后，通过热处理使前驱体分解形成氧化物涂层。该方法操作简单、成本较低，适合大面积制备，但容易形成“泥裂”（mud-crack）结构。裂纹的产生主要源于涂层与钛基底热膨胀系数不匹配及反复加热冷却过程中的热应力。研究表明，通过控制煅烧温度、涂覆方式、前驱体组成和贵金属负载量，可以在一定程度上调节裂纹密度和催化活性，但泥裂结构仍然是限制电极寿命的重要因素。

电化学沉积是在外加电压或电流作用下，使电解液中的金属离子在基底表面还原或氧化生成金属或金属氧化物薄膜。与传统热分解法相比，电化学沉积可获得更致密、均匀的涂层，减少界面电阻并提高活性位点密度。然而，涂层与基底之间的附着力可能较弱，长期运行中容易发生剥离（delamination）。研究表明，通过在界面处引入Pt、IrO₂或功能性中间层，可以有效增强涂层结合力并延长使用寿命。此外，电化学沉积也被用于制备Pb–Co和Pb–Co₃O₄等复合阳极，以降低析氧过电位并减少铅污染。

溶胶–凝胶法将金属盐溶解于水或醇溶液中形成前驱体溶胶，随后在钛基底上转化为凝胶涂层，再经热处理形成氧化物。该方法可在前驱体水平实现均匀混合，改善组分分布并减少大裂纹的形成。研究显示，溶胶–凝胶法制备的RuO₂阳极表面更粗糙、泥裂更少，具有更高的有效反应面积。通过引入Ce等掺杂元素，还可进一步调节极化电位和催化性能。但该法化学成本较高、处理时间长，且在干燥和煅烧过程中可能产生内应力和收缩。

磁控溅射是一种先进的物理气相沉积技术。在真空条件下，利用电场和磁场作用使氩离子轰击靶材，溅射出的金属原子沉积于基底表面形成薄膜。其主要优势在于可精确控制膜厚、致密性、组成和附着力。研究表明，磁控溅射制备的IrO₂和IrO₂–Ta₂O₅涂层比传统方法更致密，活性位点密度更高，界面结合更强，阳极寿命可延长约30小时。但该方法设备成本高、真空条件要求严格，适合对涂层结构和界面质量要求较高的应用场景。

四、失效机制与寿命提升策略

金属氧化物涂层阳极的失效通常涉及涂层溶解、涂层剥离或基底钝化等过程，这些机制可能同时或依次发生。Yao等人提出，电化学反应过程中活性涂层逐渐溶解，同时泥裂结构促进电解质向基底渗透并引起基底钝化，最终导致涂层剥落。Xu和Scantlebury将失效过程分为三个阶段：初期涂层松散部分在析气作用下脱落；中期涂层继续溶解且阳极导电性下降；后期涂层与基底剥离，钛基底表面生成TiO₂导致阳极失效。Liu等人进一步将硫酸溶液中的析氧阳极腐蚀过程划分为渗透、稳定运行、失活和完全失活四个阶段。总体而言，裂纹形成、电解质渗透、涂层溶解、基底钝化和界面剥离往往以耦合方式共同推进阳极降解。

延长阳极寿命的策略主要包括优化涂层成分、改善微观结构和附着力、引入中间层以及调控运行条件。例如，在RuO₂中引入IrO₂、TiO₂或Ta₂O₅等稳定剂可以提高结构稳定性；控制表面粗糙度和孔隙率可增加活性位点，但过多孔隙可能加速电解质渗透。引入TiO₂纳米管阵列或导电中间层可抑制基底钝化并促进电荷转移。此外，优化煅烧温度、前驱体浓度和涂覆次数，以及控制电流密度和电解液组成，也有助于延长电极寿命。

五、涂层组成与新型材料

RuO₂基阳极的制备方法中，热分解法约占40%，电沉积法约30%，其他方法如水热法、刮涂法和滴涂法共约占30%。近年来，RuO₂涂层形貌逐渐从三维微结构转向一维纳米结构，以提高电子传输能力和活性表面积，部分研究中电流密度可提高约四倍。

IrO₂基阳极方面，研究表明在涂层中引入TiO₂或SiO₂纳米颗粒可提高机械强度并抑制电解质渗透；采用高比表面积钛毡基底可减少裂纹并获得更高的活性位点利用效率。电沉积法逐渐成为IrO₂基涂层的重要制备路线，如IrO₂–Co–Ni薄膜在1.55 V（相对可逆氢电极，RHE）下可达到265 A g⁻¹的电流密度。

为了降低贵金属依赖，Co₃O₄、Mn₃O₄、Ni–Fe体系及其与石墨烯、MoS₂等二维材料的复合涂层受到广泛关注。这些过渡金属氧化物具有结构多样、成本较低、与碳基材料兼容性好等优势。例如，Co₃O₄在含氯环境中表现出较高耐蚀性和电流效率，部分研究中氯析出效率可达99%。碳基催化剂如硼掺杂金刚石和碳纳米管负载铂催化剂在氯析出反应中显示出高选择性和良好耐蚀性。

六、综述意义与价值

本文的主要贡献在于将RuO₂和IrO₂基涂层阳极的材料组成、制备方法、界面结构、失效机制和工业应用整合在一个统一的“结构—加工—降解—应用”框架下进行系统讨论。与已有多数综述不同，本文不仅关注催化活性，还着重分析涂层缺陷、界面稳定性、热处理条件和可扩展制备策略对长寿命阳极设计的综合影响。该综述为从事电催化、电化学工程和阳极材料研究的科研人员提供了全面的参考，也为工业阳极的选材、制备优化和寿命评估提供了理论依据。未来阳极材料的发展方向应聚焦于纳米结构调控、成分优化、界面工程以及降低贵金属用量的新型复合涂层体系。