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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(miàn)静(jìng)电(diàn)吸(xī)附(fù)，无(wú)化(huà)学(xué)键断(duàn)裂(liè)，代(dài)表(biǎo)材(cái)料(liào)为(wèi)碳(tàn)纳(nà)米(mǐ)管(guǎn)、石(shí)墨(mò)烯(xī)等(děng)碳(tàn)材(cái)料(liào)；

法(fǎ)拉(lā)第(dì)赝(yàn)电(diàn)容(róng)（FPC）：依(yī)赖(lài)电(diàn)极(jí)材(cái)料(liào)表(biǎo)面(miàn)或(huò)近(jìn)表(biǎo)面(miàn)的(de)快(kuài)速(sù)氧(yǎng)化(huà)还(hái)原(yuán)反(fǎn)应(yīng)，典(diǎn)型(xíng)材(cái)料(liào)为(wèi)过(guò)渡(dù)金(jīn)属(shǔ)氧(yǎng)化(huà)物(wù)（如(rú)MnO₂、RuO₂）和(hé)导(dǎo)电(diàn)聚(jù)合(hé)物(wù)（如(rú)聚(jù)苯(běn)胺(àn)）。

（2）PDA的(de)分(fēn)子(zi)特(tè)性(xìng)与(yǔ)功(gōng)能(néng)优(yōu)势(shì)

高(gāo)碳(tàn)化(huà)率(lǜ)：热(rè)解(jiě)后(hòu)可(kě)形(xíng)成(chéng)氮(dàn)掺(càn)杂(zá)碳(tàn)材(cái)料(liào)，碳(tàn)残(cán)留(liú)量(liàng)达(dá)45%～55%；

丰(fēng)富(fù)官(guān)能(néng)团(tuán)：含(hán)邻(lín)苯(běn)二(èr)酚(fēn)、胺(àn)基(jī)（-NH₂）、亚(yà)胺(àn)（-N=）等(děng)活(huó)性(xìng)基(jī)团(tuán)，可(kě)提(tí)供(gōng)赝(yàn)电(diàn)容(róng)贡(gòng)献(xiàn)；

强(qiáng)粘(zhān)附(fù)性(xìng)：通(tōng)过(guò)共(gòng)价(jià)键、氢(qīng)键及(jí)π-π相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，实(shí)现(xiàn)与(yǔ)金(jīn)属(shǔ)、氧(yǎng)化(huà)物(wù)、碳(tàn)材(cái)料(liào)等(děng)基(jī)底(dǐ)的(de)普(pǔ)适(shì)性(xìng)粘(zhān)结(jié)；

大(dà)π共(gòng)轭(è)结(jié)构(gòu)：促(cù)进(jìn)电(diàn)子(zi)离(lí)域，提(tí)升(shēng)材(cái)料(liào)导(dǎo)电(diàn)性(xìng)。

（3）PDA在(zài)电(diàn)极(jí)材(cái)料(liào)中(zhōng)的(de)角(jiǎo)色(sè)定(dìng)位(wèi)

碳(tàn)前(qián)驱(qū)体(tǐ)：直(zhí)接(jiē)碳(tàn)化(huà)制(zhì)备(bèi)氮(dàn)掺(càn)杂(zá)碳(tàn)材(cái)料(liào)；

功(gōng)能(néng)添(tiān)加(jiā)剂(jì)：通(tōng)过(guò)官(guān)能(néng)团(tuán)修(xiū)饰(shì)碳(tàn)材(cái)料(liào)（如(rú)石(shí)墨(mò)烯(xī)、碳(tàn)纳(nà)米(mǐ)管(guǎn)），引(yǐn)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(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(fù)合(hé)体(tǐ)系(xì)：PDA桥(qiáo)接(jiē)石(shí)墨(mò)烯(xī)与(yǔ)金(jīn)属(shǔ)化(huà)合(hé)物(wù)

PDA作(zuò)为(wèi)“分(fēn)子(zi)胶(jiāo)水(shuǐ)”构(gòu)建(jiàn)三(sān)维(wéi)导(dǎo)电(diàn)网(wǎng)络(luò)：Zhang X等(děng)通(tōng)过(guò)PDA将(jiāng)Co₃O₄纳(nà)米(mǐ)颗(kē)粒(lì)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(yōu)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(tú)4聚(jù)多(duō)巴(ba)胺(àn)制(zhì)备(bèi)的(de)四(sì)类(lèi)电极材料

图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纳米线阵列的SEM和相应的TEM图像

研究结论

系统综述了PDA在超级电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（最高达1 435 F/g）、倍率性能（60 A/g下保持率>58%）和循环稳定性（10万次循环后保持率>95%）。

(2)作用机制解析：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颈。

(3)产业化路径启示：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)定了基础。未来研究需聚焦PDA聚合动力学调控、界面电荷传输机制等基础科学问题，以加速其从实验室到工业化的转化进程。

供稿单位：重庆材料研究院有限公司

审核专家：《功能材料》编辑部主任黄桂春

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