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在全球能源结构转型与电子设备小型化趋势的双重驱动下，开发高性能储能器件成为能源领域的研究热点。超级电容器凭借其高功率密度（可达10 kW/kg）、超长循环寿命（大于10万次）及快速充放电能力，在电动汽车、智能电网、可穿戴设备等领域展现出不可替代的战略价值。然而，传统电极材料（如活性炭、金属氧化物）受限于比容量低、倍率性能差等瓶颈，难以满足新兴领域对能量密度与功率密度的双重需求。在此背景下，聚多巴胺（PDA）作为一种仿生贻贝蛋白的高分子材料，凭借其独特的分子结构与化学特性，为超级电容器电极材料的设计提供了全新思路。

研究内容

（1）超级电容器的储能机制与材料需求

双电层电容（EDLC）：基于电解质离子在电极/电解液界面静电吸附，无化学键断裂，代表材料为碳纳米管、石墨烯等碳材料；

法拉第赝电容（FPC）：依赖电极材料表面或近表面的快速氧化还原反应，典型材料为过渡金属氧化物（如MnO₂、RuO₂）和导电聚合物（如聚苯胺）。

（2）PDA的分子特性与功能优势

高碳化率：热解后可形成氮掺杂碳材料，碳残留量达45%～55%；

丰富官能团：含邻苯二酚、胺基（-NH₂）、亚胺（-N=）等活性基团，可提供赝电容贡献；

强粘附性：通过共价键、氢键及π-π相互作用，实现与金属、氧化物、碳材料等基底的普适性粘结；

大π共轭结构：促进电子离域，提升材料导电性。

（3）PDA在电极材料中的角色定位

碳前驱体：直接碳化制备氮掺杂碳材料；

功能添加剂：通过官能团修饰碳材料（如石墨烯、碳纳米管），引入赝电容；

复合载体：作为粘结剂与金属氧化物、导电聚合物复合，构建多级结构电极。

创新亮点

（1）一元碳材料体系：PDA衍生氮掺杂碳

通过调控碳化工艺（温度、气氛），PDA可转化为高导电性氮掺杂碳材料。例如：He L

等采用模板法，以PDA为碳源制备了三维石墨碳纳米框架（GCFs），其比表面积达1 280 m²/g，

在1 A/g电流密度下体积电容达105 F/cm³；Xiong S Q团队通过KOH活化PDA碳球，获得

氮掺杂分层多孔碳（NHPCNs），0.5 A/g时比电容为433 F/g，10 000次循环后容量保持率

为95.7%。

（2）二元复合体系：PDA与金属化合物协同

PDA的粘附性与还原性使其成为金属化合物（如NiO、MnO₂）的理想载体：Xu Z Y等利

用PDA包覆NiCo₂O₄纳米线，碳化后形成N掺杂碳包覆结构，10 A/g下比电容为1 078 F/g，5 000次循环后保持率为91.3%；Ding X B团队制备CoNi₂S₄@PDA核壳结构，4 A/g时比电容为849 F/g，10 A/g时仍保持725 F/g，凸显PDA对活性物质的保护作用。

（3）二元碳修饰体系：PDA功能化碳材料

PDA修饰可显著改善碳材料的表面浸润性与导电性：Mani U等将PDA涂覆于多壁碳纳米

管（MWCNT），所得复合材料1 A/g时比电容为1 111 F/g，7 000次循环后保持率为95%；Li S F团队以PDA为氮源，合成超薄富氮杂化碳纳米片（HCNSs），6 mol/L KOH电解液中227 F/g，10 000次循环无衰减。

（4）三元复合体系：PDA桥接石墨烯与金属化合物

PDA作为“分子胶水”构建三维导电网络：Zhang X等通过PDA将Co₃O₄纳米颗粒锚定于还原氧化石墨烯（RGO），1 A/g时比电容1 183 F/g，10 A/g时保持75.3%；Huang J团队设计RGO/HSP-Co₃O₄复合结构，1 A/g时比电容1 435 F/g，60 A/g高倍率下仍达833 F/g，展现优异的倍率性能。

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