蒽醌染料增强石墨烯电极构筑高性能超级电容器的结构-功能-成本一体化设计

为解决超级电容器能量密度低的关键瓶颈，浙江大学研究人员创新性地采用工业染料Indanthrene Black BBN（BBN）非共价修饰还原氧化石墨烯（rGO），通过π-π堆叠构建兼具双电层电容（EDLC）和法拉第赝电容的复合电极。该BBN-rGO-0.8材料在1 A g-1下展现457 F g-1的高比电容，组装的柔性对称超级电容器实现19.8 Wh kg-1的能量密度和85.8%的万次循环保持率，为低成本高性能储能器件开发提供新范式。

　　

随着智能穿戴设备和电动汽车的爆发式增长，人们对储能器件提出了更高要求——既要有电池般的大容量，又要像电容般快速充放电。超级电容器凭借功率密度高、循环寿命长的优势脱颖而出，但其能量密度仅为锂电池的1/10，这主要源于其储能机制的双重局限：依赖物理吸附电荷的双电层电容（EDLC）材料如活性炭，虽稳定但容量有限；而通过氧化还原反应储能的赝电容材料虽容量高，却容易在反复充放电中"崩溃"。如何让"鱼与熊掌兼得"，成为全球储能领域的研究热点。

浙江理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了纺织工业中常用的蒽醌染料——阴丹士林黑BBN（BBN）。这种每公斤仅几十元的工业染料，竟藏着破解难题的钥匙：其平面共轭结构与石墨烯完美匹配，丰富的羰基可逆地参与氧化还原反应。通过一步水热法，研究人员让BBN分子像"纳米补丁"般牢牢锚定在还原氧化石墨烯（rGO）表面，既阻止了石墨烯片层堆叠，又开辟了电子高速通道。

这项发表于《Journal of Electroanalytical Chemistry》的研究，采用了包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）在内的系统表征方法。通过调控BBN与rGO的质量比，发现当BBN占比0.8时（BBN-rGO-0.8），材料在1 A g^-1电流密度下比电容高达457 F g^-1，远超纯rGO的286 F g^-1。更惊人的是，即使电流提升20倍，容量保持率仍达91.6%，证明其卓越的倍率性能。

结果与讨论部分揭示：X射线光电子能谱（XPS）证实BBN的C=O基团与rGO形成电荷转移复合物；扫描电镜显示BBN像"分子楔子"般撑开石墨烯层间距至0.38 nm，比纯rGO增大21%。当用聚乙烯醇/硫酸（PVA/H₂SO₄）凝胶电解质组装柔性器件时，该材料在800 W kg^-1功率密度下输出19.8 Wh kg^-1的能量密度，相当于商用活性炭电容器的3倍。经过万次充放电后，器件容量仅衰减14.2%，且弯曲1000次仍保持90%以上性能。

结论部分强调：这项研究开创性地将工业染料转化为高性能电极材料，通过精准的分子工程实现"结构-功能-成本"三重优化。BBN-rGO复合材料不仅为破解超级电容器能量密度瓶颈提供新方案，其非共价修饰策略更可拓展至其他共轭分子体系。该工作被审稿人评价为"有机分子改性电极的典范"，其成果已引起多家新能源企业的关注，有望推动低成本柔性储能器件的产业化进程。