快速空气冷却是一种优选方法，因为它是一种“锁定”高温下形成的原子结构的机制。通过使TS-Ir/MnO2催化剂经历急剧的温度下降，该过程可防止材料恢复到自然的低能态。这可以保留对催化剂反应性至关重要的特定结构缺陷。
这种冷却方法的核心目标是应变工程。快速冷却会将内部拉伸应力捕获在晶格中，形成一种高度活跃的物理结构，否则这种结构会因缓慢冷却而丢失。
应变保持的机制
锁定晶格畸变
在高温下，材料的原子晶格会发生畸变。为了利用这种畸变进行催化，必须在室温下将其保留。
将催化剂快速转移到空气中会产生急剧的温度梯度。这会在原子重新排列之前有效地“冻结”晶格的畸变状态。
产生内部拉伸应力
这种快速冷却的主要目标是保留二氧化锰（MnO2）晶格中的内部拉伸应力。
当材料瞬间冷却时，晶格结构会被拉紧。这种应力不是要避免的缺陷，而是催化剂有效工作所需的功能特征。
冷却方法比较
炉冷却的问题
炉冷却是一个缓慢的过程，它允许材料与炉环境一起逐渐冷却。
在缓慢冷却阶段，材料会寻求热力学平衡。这会导致应力释放，使原子进入放松、无应力的状态。虽然这在其他材料的结构稳定性方面可能是可取的，但在这种特定情况下，它会抵消催化优势。
空气冷却的优势
相比之下，快速空气冷却迫使材料绕过这种弛豫阶段。
通过不给晶格释放应力的时间，该过程确保拉伸应变状态得以成功保留。这种方法故意阻止材料达到平衡。
对催化性能的影响
激活铱位点
保留的拉伸应力直接影响催化剂的活性位点。
具体来说，MnO2晶格内的应力导致拉伸应变的铱（Ir）位点。与弛豫的铱位点相比，这些应变位点表现出显著增强的催化活性。
理解权衡
稳定性与活性
在材料科学中，稳定的、弛豫的结构与高活性的、应变结构之间常常存在权衡。
炉冷却会产生更稳定的晶格，但催化剂的性能较低。快速冷却会产生热力学不稳定的“应变”晶格，但这种不稳定性正是驱动卓越化学反应速率的原因。你是在用结构弛豫换取最佳性能。
为您的合成做出正确选择
为确保实现所需的催化性能，请根据您的具体目标考虑以下方法：
- 如果您的主要重点是最大化催化活性：您必须使用快速空气冷却来锁定晶格畸变并生成必要的拉伸应变铱位点。
- 如果您的主要重点是建立对照基线：您应该使用炉冷却来释放内部应力，创建低活性参考样品进行比较。
通过控制冷却速率，您可以有效地调整原子几何形状，以最大化TS-Ir/MnO2催化剂的效率。
总结表：
| 冷却方法 | 冷却速率 | 结构状态 | 内部应力 | 催化活性 |
|---|---|---|---|---|
| 快速空气冷却 | 快 | 畸变/冻结 | 高拉伸应力 | 优越（峰值性能） |
| 炉冷却 | 慢 | 弛豫/平衡 | 应力释放 | 低（对照基线） |
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参考文献
- Hui Su, Qinghua Liu. Tensile straining of iridium sites in manganese oxides for proton-exchange membrane water electrolysers. DOI: 10.1038/s41467-023-44483-6
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
