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【导语】在全球能源结构转型与电子设备小型化的浪潮中，高性能储能器件的研发成为能源领域的核心焦点。超级电容器，以其卓越的高功率密度、超长循环寿命及快速充放电能力，在众多领域展现出巨大潜力。然而，传统电极材料的局限性制约了其进一步发展。聚多巴胺（PDA），作为一种仿生高分子材料，为超级电容器电极材料的设计带来了革新思路。本文系统综述了PDA在超级电容器电极材料中的创新应用，揭示了其通过分子设计实现性能跃升的机制，为产业化应用提供了重要启示。

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(jié)剂(jì)与(yǔ)金(jīn)属(shǔ)氧(yǎng)化(huà)物(wù)、导(dǎo)电(diàn)聚(jù)合(hé)物(wù)复(fù)合(hé)，构(gòu)建(jiàn)多(duō)级(jí)结(jié)构(gòu)电(diàn)极(jí)。

创(chuàng)新(xīn)亮(liàng)点(diǎn)

（1） 一(yī)元(yuán)碳(tàn)材(cái)料(liào)体(tǐ)系(xì)：PDA衍(yǎn)生(shēng)氮(dàn)掺(càn)杂(zá)碳(tàn)

通(tōng)过(guò)调(diào)控(kòng)碳(tàn)化(huà)工(gōng)艺(yì)（温(wēn)度(dù)、气(qì)氛(fēn)），PDA可(kě)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)高(gāo)导(dǎo)电(diàn)性(xìng)氮(dàn)掺(càn)杂(zá)碳(tàn)材(cái)料(liào)。例(lì)如(rú)：He L

等(děng)采用(yòng)模(mó)板(bǎn)法(fǎ)，以(yǐ)PDA为(wèi)碳(tàn)源(yuán)制(zhì)备(bèi)了(le)三(sān)维(wéi)石(shí)墨(mò)碳(tàn)纳(nà)米(mǐ)框(kuāng)架(jià)（GCFs），其(qí)比(bǐ)表(biǎo)面(miàn)积(jī)达(dá)1 280 m²/g，

在(zài)1 A/g电(diàn)流(liú)密(mì)度(dù)下(xià)体(tǐ)积(jī)电(diàn)容(róng)达(dá)105 F/cm³；Xiong S Q团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)KOH活(huó)化(huà)PDA碳(tàn)球(qiú)，获(huò)得(de)

氮(dàn)掺(càn)杂(zá)分(fēn)层(céng)多(duō)孔(kǒng)碳(tàn)（NHPCNs），0.5 A/g时(shí)比(bǐ)电(diàn)容(róng)为(wèi)433 F/g，10 000次(cì)循(xún)环(huán)后(hòu)容(róng)量(liàng)保(bǎo)持(chí)率(lǜ)

为(wèi)95.7%。

（2）二(èr)元(yuán)复(fù)合(hé)体(tǐ)系(xì)：PDA与(yǔ)金(jīn)属(shǔ)化(huà)合(hé)物(wù)协(xié)同(tóng)

PDA的(de)粘(zhān)附(fù)性(xìng)与(yǔ)还(hái)原(yuán)性(xìng)使(shǐ)其(qí)成(chéng)为(wèi)金(jīn)属(shǔ)化(huà)合(hé)物(wù)（如(rú)NiO、MnO₂）的(de)理(lǐ)想(xiǎng)载(zài)体(tǐ)：Xu Z Y等(děng)利(lì)

用(yòng)PDA包(bāo)覆(fù)NiCo₂O₄纳(nà)米(mǐ)线(xiàn)，碳(tàn)化(huà)后(hòu)形(xíng)成(chéng)N掺(càn)杂(zá)碳(tàn)包(bāo)覆(fù)结(jié)构(gòu)，10 A/g下(xià)比(bǐ)电(diàn)容(róng)为(wèi)1 078 F/g，5 000次(cì)循(xún)环(huán)后(hòu)保(bǎo)持(chí)率(lǜ)为(wèi)91.3%；Ding X B团(tuán)队(duì)制(zhì)备(bèi)CoNi₂S₄@PDA核(hé)壳(ké)结(jié)构(gòu)，4 A/g时(shí)比(bǐ)电(diàn)容(róng)为(wèi)849 F/g，10 A/g时(shí)仍(réng)保(bǎo)持(chí)725 F/g，凸(tū)显(xiǎn)PDA对(duì)活(huó)性(xìng)物(wù)质(zhì)的(de)保(bǎo)护(hù)作(zuò)用(yòng)。

（3）二(èr)元(yuán)碳(tàn)修(xiū)饰(shì)体(tǐ)系(xì)：PDA功(gōng)能(néng)化(huà)碳(tàn)材(cái)料(liào)

PDA修(xiū)饰(shì)可(kě)显(xiǎn)著(zhe)改(gǎi)善(shàn)碳(tàn)材(cái)料(liào)的(de)表(biǎo)面(miàn)浸(jìn)润(rùn)性(xìng)与(yǔ)导(dǎo)电(diàn)性(xìng)：Mani U等(děng)将(jiāng)PDA涂(tu)覆(fù)于(yú)多(duō)壁(bì)碳(tàn)纳(nà)米(mǐ)

管(guǎn)（MWCNT），所(suǒ)得(de)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。

图文展示

图1 二次电池、常规电容器和超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命对比图

图3多巴胺聚合成聚多巴胺的过程

图4聚多巴胺制备的四类电极材料

图(tú)6 蛋黄壳、单壳、双壳氮掺杂空心碳球的形成

图7 S, N -碳球的制备过程

图8不同浸提时间: 0 h(a, e)，3 h(b, f)，9 h(c, g)和15 h(d, h)制备的NiCo2O4@NC纳(nà)米(mǐ)线(xiàn)阵(zhèn)列(liè)的(de)SEM和(hé)相(xiāng)应(yīng)的(de)TEM图(tú)像(xiàng)

研(yán)究(jiū)结(jié)论(lùn)

系(xì)统(tǒng)综(zōng)述(shù)了(le)PDA在(zài)超(chāo)级(jí)电(diàn)容器电极材料中的创新应用，揭示其通过分子设计实现能量存储性能跃升的机制：

(1)材料体系创新：从一元碳材料到三元复合结构，PDA实现了从单纯碳源到多功能组分的角色升级，显著提升了电极的比容量（最(zuì)高(gāo)达(dá)1 435 F/g）、倍(bèi)率(lǜ)性(xìng)能(néng)（60 A/g下(xià)保(bǎo)持(chí)率(lǜ)>58%）和(hé)循(xún)环(huán)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)（10万(wàn)次(cì)循(xún)环(huán)后(hòu)保(bǎo)持(chí)率(lǜ)>95%）。

(2)作用机(jī)制(zhì)解(jiě)析(xī)：PDA通过氮掺杂引入赝电容、官能团修饰改善浸润性、分子粘结构建导电网络等多重效应协同，突破了传统电极材料的性能瓶(píng)颈(jǐng)。

(3)产(chǎn)业(yè)化(huà)路径启(qǐ)示(shì)：PDA的(de)低(dī)成(chéng)本(běn)、水(shuǐ)相(xiāng)加(jiā)工(gōng)性(xìng)和(hé)普(pǔ)适(shì)性(xìng)复(fù)合(hé)能(néng)力(lì)，为(wèi)其(qí)在(zài)柔(róu)性(xìng)电(diàn)子(zi)、大(dà)规(guī)模(mó)储(chǔ)能(néng)等(děng)领(lǐng)域的(de)应(yīng)用(yòng)奠(diàn)定(dìng)了(le)基(jī)础(chǔ)。未(wèi)来(lái)研(yán)究(jiū)需(xū)聚(jù)焦(jiāo)PDA聚(jù)合(hé)动(dòng)力(lì)学(xué)调(diào)控(kòng)、界(jiè)面(miàn)电(diàn)荷(hé)传(chuán)输(shū)机(jī)制(zhì)等(děng)基(jī)础(chǔ)科(kē)学(xué)问题，以加速其从实验室到工业化的转化进程。

供稿单位：重庆材料研究院(yuàn)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司

审核专家：《功能材料》编辑部主任黄桂春

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