在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與電子設(shè)備小型化趨勢的雙重驅(qū)動下，開發(fā)高性能儲能器件成為能源領(lǐng)域的研究熱點。超級電容器憑借其高功率密度（可達10 kW/kg）、超長循環(huán)壽命（大于10萬次）及快速充放電能力，在電動汽車、智能電網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的戰(zhàn)略價值。然而，傳統(tǒng)電極材料（如活性炭、金屬氧化物）受限于比容量低、倍率性能差等瓶頸，難以滿足新興領(lǐng)域?qū)δ芰棵芏扰c功率密度的雙重需求。在此背景下，聚多巴胺（PDA）作為一種仿生貽貝蛋白的高分子材料，憑借其獨特的分子結(jié)構(gòu)與化學特性，為超級電容器電極材料的設(shè)計提供了全新思路。

研究內(nèi)容

（1）超級電容器的儲能機制與材料需求

雙電層電容（EDLC）：基于電解質(zhì)離子在電極/電解液界面靜電吸附，無化學鍵斷裂，代表材料為碳納米管、石墨烯等碳材料；

法拉第贗電容（FPC）：依賴電極材料表面或近表面的快速氧化還原反應(yīng)，典型材料為過渡金屬氧化物（如MnO?、RuO?）和導電聚合物（如聚苯胺）。

（2）PDA的分子特性與功能優(yōu)勢

高碳化率：熱解后可形成氮摻雜碳材料，碳殘留量達45%～55%；

豐富官能團：含鄰苯二酚、胺基（-NH?）、亞胺（-N=）等活性基團，可提供贗電容貢獻；

強粘附性：通過共價鍵、氫鍵及π-π相互作用，實現(xiàn)與金屬、氧化物、碳材料等基底的普適性粘結(jié)；

大π共軛結(jié)構(gòu)：促進電子離域，提升材料導電性。

（3）PDA在電極材料中的角色定位

碳前驅(qū)體：直接碳化制備氮摻雜碳材料；

功能添加劑：通過官能團修飾碳材料（如石墨烯、碳納米管），引入贗電容；

復合載體：作為粘結(jié)劑與金屬氧化物、導電聚合物復合，構(gòu)建多級結(jié)構(gòu)電極。

創(chuàng)新亮點

（1） 一元碳材料體系：PDA衍生氮摻雜碳

通過調(diào)控碳化工藝（溫度、氣氛），PDA可轉(zhuǎn)化為高導電性氮摻雜碳材料。例如：He L

等采用模板法，以PDA為碳源制備了三維石墨碳納米框架（GCFs），其比表面積達1 280 m2/g，

在1 A/g電流密度下體積電容達105 F/cm3；Xiong S Q團隊通過KOH活化PDA碳球，獲得

氮摻雜分層多孔碳（NHPCNs），0.5 A/g時比電容為433 F/g，10 000次循環(huán)后容量保持率

為95.7%。

（2）二元復合體系：PDA與金屬化合物協(xié)同

PDA的粘附性與還原性使其成為金屬化合物（如NiO、MnO?）的理想載體：Xu Z Y等利

用PDA包覆NiCo?O?納米線，碳化后形成N摻雜碳包覆結(jié)構(gòu)，10 A/g下比電容為1 078 F/g，5 000次循環(huán)后保持率為91.3%；Ding X B團隊制備CoNi?S?@PDA核殼結(jié)構(gòu)，4 A/g時比電容為849 F/g，10 A/g時仍保持725 F/g，凸顯PDA對活性物質(zhì)的保護作用。

（3）二元碳修飾體系：PDA功能化碳材料

PDA修飾可顯著改善碳材料的表面浸潤性與導電性：Mani U等將PDA涂覆于多壁碳納米

管（MWCNT），所得復合材料1 A/g時比電容為1 111 F/g，7 000次循環(huán)后保持率為95%；Li S F團隊以PDA為氮源，合成超薄富氮雜化碳納米片（HCNSs），6 mol/L KOH電解液中227 F/g，10 000次循環(huán)無衰減。

（4）三元復合體系：PDA橋接石墨烯與金屬化合物

PDA作為“分子膠水”構(gòu)建三維導電網(wǎng)絡(luò)：Zhang X等通過PDA將Co?O?納米顆粒錨定于還原氧化石墨烯（RGO），1 A/g時比電容1 183 F/g，10 A/g時保持75.3%；Huang J團隊設(shè)計RGO/HSP-Co?O?復合結(jié)構(gòu)，1 A/g時比電容1 435 F/g，60 A/g高倍率下仍達833 F/g，展現(xiàn)優(yōu)異的倍率性能。

圖文展示

圖1 二次電池、常規(guī)電容器和超級電容器的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命對比圖

圖3多巴胺聚合成聚多巴胺的過程

圖4聚多巴胺制備的四類電極材料

圖6 蛋黃殼、單殼、雙殼氮摻雜空心碳球的形成

圖7 S, N -碳球的制備過程

圖8不同浸提時間: 0 h(a, e)，3 h(b, f)，9 h(c, g)和15 h(d, h)制備的NiCo2O4@NC納米線陣列的SEM和相應(yīng)的TEM圖像

研究結(jié)論

系統(tǒng)綜述了PDA在超級電容器電極材料中的創(chuàng)新應(yīng)用，揭示其通過分子設(shè)計實現(xiàn)能量存儲性能躍升的機制：

(1)材料體系創(chuàng)新：從一元碳材料到三元復合結(jié)構(gòu)，PDA實現(xiàn)了從單純碳源到多功能組分的角色升級，顯著提升了電極的比容量（最高達1 435 F/g）、倍率性能（60 A/g下保持率>58%）和循環(huán)穩(wěn)定性（10萬次循環(huán)后保持率>95%）。

(2)作用機制解析：PDA通過氮摻雜引入贗電容、官能團修飾改善浸潤性、分子粘結(jié)構(gòu)建導電網(wǎng)絡(luò)等多重效應(yīng)協(xié)同，突破了傳統(tǒng)電極材料的性能瓶頸。

(3)產(chǎn)業(yè)化路徑啟示：PDA的低成本、水相加工性和普適性復合能力，為其在柔性電子、大規(guī)模儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來研究需聚焦PDA聚合動力學調(diào)控、界面電荷傳輸機制等基礎(chǔ)科學問題，以加速其從實驗室到工業(yè)化的轉(zhuǎn)化進程。

供稿單位：重慶材料研究院有限公司

審核專家：《功能材料》編輯部主任黃桂春

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來源: 重慶市科學技術(shù)協(xié)會

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