综述：探索导电聚合物及其复合材料在超级电容器系统中的最新进展与合成策略：一篇综合性综述

《RSC Advances》：Exploring recent advances and synthesis strategies in conductive polymers and their composites in supercapacitor systems: a comprehensive review

导电聚合物及其复合材料的超级电容器性能研究

　　随着工业化进程的加快，环境问题日益突出，对可持续能源的需求也愈加迫切。为应对这一挑战，超级电容器作为一种兼具高能量密度和高功率密度的新型储能设备，正逐渐成为研究热点。超级电容器的工作原理介于传统电容器和电池之间，能够提供比传统电容器更高的能量密度，同时又具备电池的快速充放电特性。然而，传统电容器和电池在某些方面存在局限性，例如电容器的能量密度较低，而电池在循环稳定性、资源利用和存储条件等方面存在不足。因此，研究者们探索了多种新型材料，以期实现高性能的超级电容器。其中，导电聚合物因其独特的性质，如高导电性、良好的稳定性以及可调的结构，成为一种有前景的电极材料。

导电聚合物具有金属的导电特性和聚合物的柔性特性，这使其在储能系统中展现出独特的应用潜力。然而，导电聚合物在循环过程中可能会发生体积膨胀或收缩，从而影响其性能。为了克服这一缺陷，研究者们尝试将导电聚合物与其他电活性材料结合，如金属有机框架（MOFs）、碳材料（如石墨烯、碳纳米管和活性炭）、过渡金属氧化物（TMO）和硫化物（TMS），以及二维材料MXene。这些复合材料通过协同效应，显著提升了超级电容器的电化学性能，使其在能量密度和功率密度方面均有所提高。

在导电聚合物与碳材料的复合研究中，多种结构和合成方法被探索。例如，聚苯胺（PANI）与碳纳米管（CNT）的复合材料因其高比表面积和优异的导电性，表现出较高的比电容和良好的循环稳定性。研究显示，PANI/CNT复合材料在1 A/g电流密度下可达到347 F/g的比电容，且在1000次循环后仍能保持91%的容量。此外，聚苯胺与石墨烯氧化物（GO）的复合材料在提升导电性和电化学性能方面也取得了良好效果。例如，通过原位聚合方法合成的PANI/GO复合材料，在1 A/g电流密度下表现出329 F/g的比电容，且在1000次循环后仍能保持较高稳定性。这些材料的协同效应不仅提高了比电容，还增强了电极材料的机械强度和电荷转移效率。

在导电聚合物与金属氧化物/硫化物的复合研究中，研究者们发现，二元复合材料在提升电化学性能方面具有显著优势。例如，NiCo?O?/PANI复合材料在1000次循环后仍能保持90%的稳定性，且在1 A/g电流密度下达到377 F/g的比电容。此外，金属硫化物如MoS?与聚苯胺的复合材料在提升离子传输速率和电荷存储能力方面表现突出。研究发现，通过调控MoS?的含量，可以显著提升复合材料的电化学性能，其中5 wt%的MoS?含量表现出最佳效果。这些复合材料的高比表面积和丰富的活性位点，使得其在超级电容器中具有良好的应用前景。

在导电聚合物与MOFs的复合研究中，金属有机框架因其高比表面积和可调控的孔结构，成为一种理想的复合材料载体。例如，Co-MOF/PANI复合材料在1 A/g电流密度下表现出504 F/g的比电容，且在5000次循环后仍能保持较高稳定性。此外，通过引入其他碳材料如石墨烯和活性炭，进一步优化了MOFs与导电聚合物的复合性能。例如，PANI/g-C?N?/Ni-MOF复合材料在5 A/g电流密度下达到2420 F/g的比电容，显示出其在高能量密度超级电容器中的潜力。

MXene作为一种二维材料，因其高比表面积、良好的导电性和机械强度，成为导电聚合物复合材料的重要组成部分。研究发现，MXene与聚苯胺的复合材料在1 A/g电流密度下表现出较高的比电容，如Ti?C?T?/PANI复合材料在10000次循环后仍能保持96.4%的稳定性。此外，MXene与聚吡咯（PPy）的复合材料在不同合成方法下也展现出优异的电化学性能。例如，通过原位聚合方法合成的MXene/PPy复合材料在1 A/g电流密度下达到385 F/g的比电容，显示出其在超级电容器中的应用潜力。

尽管导电聚合物及其复合材料在超级电容器中表现出色，但其大规模应用仍面临一些挑战。例如，导电聚合物的可加工性较差，难以在工业规模上进行批量生产。此外，导电聚合物在某些溶剂中的溶解性较低，限制了其在不同应用场景中的适用性。同时，其生产成本较高，可能影响其在市场上的推广。因此，未来的研究应关注如何提高导电聚合物的可加工性、降低成本以及减少其对环境的影响，以实现其在工业和商业领域的广泛应用。

综上所述，导电聚合物及其复合材料在超级电容器领域展现出巨大的潜力。通过合理选择电极材料、优化合成方法和调控复合结构，可以显著提升超级电容器的性能。然而，要实现这些材料的广泛应用，还需要解决其在工业生产中的可扩展性和环境友好性问题。未来的研究应进一步探索这些材料的合成方法和应用前景，以推动超级电容器技术的发展，满足日益增长的能源需求。