中国地质大学（北京）成媛媛团队研究成果：聚多巴胺（PDA）制备的电极材料在超级电容器中的应用进展
引言
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。论文基于中国地质大学（北京）成媛媛副教授团队研究成果及中国地质大学（北京）2024年学科发展研究基金等项目资助。
01、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。 02、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。 03、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 Fig. 1 Compare the energy density, power density and cycle life of secondary batterie, conventional capacitor and supercapacitor respectively 图3 多巴胺聚合成聚多巴胺的过程 Fig.3 The process of DA polymerization into PDA 图4 聚多巴胺制备的四类电极材料 Fig. 4 Four kinds of electrode materials prepared by polydopamine (PDA) 图6 蛋黄壳、单壳、双壳氮掺杂空心碳球的形成 Fig.6 Formation of N-doped hollow carbon spheres with yolk−shell, single-shell, double-shells 图7 S, N -碳球的制备过程 Fig.7 Summary of the preparation of S，N-Carbon sphere 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 Fig.8 SEM and corresponding TEM images of NiCo2O4@NC nanowire arrays prepared with different dipping times: 0 h (a, e), 3 h (b, f), 9 h(c, g), and 15 h (d, h) 04、结论 本研究系统综述了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的低成本、水相加工性和普适性复合能力，为其在柔性电子、大规模储能等领域的应用奠定了基础。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。 引用本文： 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第2期，欢迎引用本文： 成媛媛,何晞岩,何美茹,等.聚多巴胺(PDA)制备的电极材料在超级电容器中的应用进展[J].功能材料. 2025,56(2):02058-02073. Cheng Y Y,He X Y,He M R,et al.Application progress of polydopamine(PDA) as electrode materials for supercapacitors[J].Journal of Functional Materials,2025,56(2):02058-02073.