无粘结剂聚吡咯/碳量子点复合电极的可持续构建及其卓越超电容性能研究

本研究针对传统超级电容器电极中粘结剂导致电化学性能下降的问题，通过原位聚合构建了无粘结剂的PPy/CQDs复合电极。该电极在0.1 M H2SO4电解液中展现出2985 F/g的比电容、467 Wh/kg的能量密度和96%的循环稳定性，为柔性电子设备提供了高性能储能解决方案。

　　

随着可穿戴电子设备、柔性显示屏和便携式医疗设备的快速发展，高性能、轻量化且具备良好机械柔性的储能器件成为研究热点。超级电容器因其高功率密度、快速充放电和长循环寿命等优势备受关注，然而传统电极材料中粘结剂（如PVDF）的使用会降低电导率并阻碍离子传输，导致电化学性能衰减。聚吡咯（PPy）作为一种经典导电聚合物，虽具有高理论电容和易合成特性，但其在充放电过程中的体积变化易引起结构坍塌，造成循环稳定性下降。如何通过绿色可持续策略构建无粘结剂的高稳定性电极，成为突破超级电容器性能瓶颈的关键。

近期发表于《Next Materials》的研究通过创新性地利用柠檬汁水热合成碳量子点（CQDs），并将其与聚吡咯通过原位聚合复合，成功开发出具有多级结构的无粘结剂PPy/CQDs复合电极。该研究通过系统优化CQDs掺杂比例（1-4 wt%），发现3 wt% CQDs复合的PPy-CQD3电极表现出最优异的综合性能：在0.1 M H₂SO₄电解液中，其比电容高达2985 F/g（10 mV/s扫描速率），能量密度达467 Wh/kg，功率密度为2594 W/kg，且在5000次循环后仍保持96%的电容保留率。这一突破性进展为柔性超级电容器的实际应用提供了重要材料基础。

研究采用水热法从柠檬汁中合成CQDs，并通过原位氧化聚合制备PPy/CQDs复合材料；利用FESEM、HRTEM分析材料形貌，UV-Vis和FTIR表征化学结构，XRD鉴定晶体性质；采用三电极体系通过循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗（EIS）测试电化学性能；通过拟合等效电路模型量化界面电荷传输行为。

3.1. FESEM和HRTEM分析

FESEM显示纯PPy呈纳米球状聚集结构（图4i-a），CQDs为均匀分散的6-7 nm颗粒（图4i-b），而PPy-CQD3呈现球状与管状交织的互联网络（图4i-c）。HRTEM进一步证实PPy为纤维管状结构，CQDs单分散分布于聚合物基质中（图4ii-a,b），这种多级结构为离子传输提供了高效通道。

3.2. UV-Vis分析

PPy在221 nm和280 nm处出现特征吸收峰，CQDs在220 nm（π-π跃迁）和284 nm（n-π跃迁）有吸收峰（图5a）。复合材料吸收峰发生轻微偏移，PPy-CQD3带隙最低（4.3 eV），表明其电子跃迁能垒降低，有利于电荷传输。

3.3. FTIR分析

PPy的红外特征峰包括1539 cm^?1（C-C）、1694 cm^?1（C=C）和1270 cm^?1（C-N）（图5b）。CQDs在3300 cm^?1（O-H）和1719 cm^?1（C=O）处有典型峰。复合材料同时保留两者特征峰，且出现峰位偏移，证明PPy与CQDs通过π-π相互作用成功复合。

3.4. XRD分析

PPy在25°出现宽泛衍射峰（110晶面），表明其非晶特性；CQDs在20°出现（002）晶面衍射峰（图5c）。复合材料衍射峰位与PPy相近但强度变化，证实CQDs嵌入未破坏PPy主体结构。

3.5. 电化学性能

3.5.1. 循环伏安分析

PPy-CQD3电极在CV曲线中呈现准矩形形状，兼具双电层电容和赝电容特性（图6,7）。在10 mV/s扫描速率下，无粘结剂PPy-CQD3的比电容达2985 F/g，远高于含粘结剂样品（1093 F/g）。高扫描速率下电容保持率（27%）表明其优异的倍率性能。

3.5.2. 恒电流充放电分析

GCD曲线显示PPy-CQD3具有最长放电时间和最小IR压降（0.03 V）（图8,9）。在0.3 mA/cm²电流密度下，无粘结剂电极比电容为2838 F/g，且在高电流密度下仍保持84%的容量保留率（表4）。其能量密度（467 Wh/kg）和功率密度（2594 W/kg）均显著优于对比组。

3.5.3. 电化学阻抗分析

Nyquist图显示PPy-CQD3具有最低电荷转移电阻（R_ct=0.19 Ω）和溶液电阻（R_s=3.03 Ω）（图10）。Bode图相位角接近60°，表明其接近理想电容行为。等效电路拟合证实其具备快速离子扩散和低界面阻抗特性（表7）。

3.6. 性能对比

与文献报道的PPy基电极相比（表8），PPy-CQD3在比电容、能量密度和循环稳定性方面均处于领先水平。其性能提升归因于CQDs的引入：一方面通过π-π相互作用增强界面电荷传输；另一方面通过氧官能团改善电极润湿性，促进离子 accessibility。

该研究通过绿色可持续策略成功构建了无粘结剂PPy/CQDs复合电极，系统揭示了CQDs掺杂比例对电极微观结构和电化学性能的调控机制。PPy-CQD3电极展现出超高比电容（2985 F/g）、高能量密度（467 Wh/kg）和卓越循环稳定性（5000次循环后96%保留率），其性能优势源于CQDs与PPy分子间的强相互作用形成的连续导电网络，以及无粘结剂设计带来的低界面阻抗。这项工作不仅为柔性超级电容器提供了高性能电极材料，也为生物质碳源在能源存储中的可持续利用提供了创新范式。