《ACS Organic & Inorganic Au》：Photoresponsive and Redox-Active Chromophore-Based Materials for Advanced Supercapacitors: Recent Progress and Future Perspectives
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对可持续、轻量化和高性能储能技术的需求日益增长，推动了超级电容器有机电极材料的广泛研究。其中，基于发色团的材料因其可调的电子结构、丰富的氧化还原活性、扩展的π共轭和结构多样性而成为有前景的候选材料。本综述全面总结了发色团衍生超级电容器材料的最新进展，特别强调了
对可持续、轻量化和高性能储能技术的需求日益增长，推动了超级电容器有机电极材料的广泛研究。其中，基于发色团的材料因其可调的电子结构、丰富的氧化还原活性、扩展的π共轭和结构多样性而成为有前景的候选材料。本综述全面总结了发色团衍生超级电容器材料的最新进展，特别强调了苝（perylene）、芘（pyrene）、卟啉（porphyrin）、喹啉（quinoline）以及相关π-共轭体系。批判性地讨论了用于增强电化学性能的分子设计策略，包括供体-受体工程（donor–acceptor engineering）、杂原子掺杂（heteroatom doping）、骨架构建（framework construction）、聚合（polymerization）以及与导电纳米材料的杂化（hybridization）。此外，系统分析了控制电荷存储、离子传输、电导率和循环稳定性的结构-性质-性能关系。在考虑器件配置、电解质选择和测试条件的基础上，对电化学指标进行了比较评估，以提供对材料性能的平衡评价。尽管一些基于发色团的体系表现出有前景的电容、能量密度和长期稳定性，但固有电导率、可扩展性和标准化基准测试相关的挑战仍然是实际应用的重要障碍。本综述强调了基本电荷存储机制、关键性能决定因素以及发色团分子工程在下一代储能设备中的新兴机遇。通过整合分子设计、电化学行为和器件级性能的见解，本综述为先进发色团超级电容器的合理发展提供了综合框架，并指出了迈向可持续和高能效储能技术的未来方向。研究人员还讨论了质子耦合电子转移（proton-coupled electron transfer，PCET）在氧化还原行为中的关键作用，以及光响应发色团在光照条件下产生额外载流子、增强赝电容行为的机理。综述最后指出，将发色团的光物理特性与电化学储能功能相结合，是实现光辅助超级电容器（photoassisted supercapacitor）的关键路径。
论文解读：光响应与氧化还原活性发色团材料在先进超级电容器中的研究进展
一、研究背景
随着全球对高效、可持续储能技术需求的日益增长，超级电容器（supercapacitor，SC）因具有高功率密度、快速充放电能力、长循环寿命和优异的安全性能，成为传统电池的重要补充或替代方案。然而，超级电容器较低的能量密度限制了其大规模应用。传统电极材料如碳材料、金属氧化物和导电聚合物分别存在赝电容不足、结构退化、溶解问题和机械鲁棒性有限等固有缺陷。近年来，生物质衍生碳和有机发色团材料受到广泛关注。有机发色团因其可调的电子结构、丰富的氧化还原活性、扩展的π共轭和结构多样性，被视为下一代高性能超级电容器的理想电极材料。在此背景下，研究人员聚焦于苝（perylene）、芘（pyrene）、卟啉（porphyrin）、喹啉（quinoline）四类代表性发色团体系，系统综述了其在超级电容器中的研究进展，并探讨了其光响应特性在光辅助储能领域的应用潜力。
二、研究内容与结论
本综述系统梳理了苝、芘、卟啉、喹啉四类发色团基材料在超级电容器中的分子设计策略、电化学性能和电荷存储机制。研究表明，通过供体-受体（donor–acceptor，D–A）工程、杂原子掺杂、骨架构建、聚合以及与导电纳米材料杂化等策略，能够有效调控材料的能带结构、氧化还原电位和离子扩散路径，显著提升超级电容器的比电容、能量密度和循环稳定性。综述还首次将光物理性质与电化学储能功能整合分析，指出这些发色团在光照条件下可产生额外载流子，增强赝电容行为，为光辅助超级电容器的发展提供了理论基础和设计框架。
三、关键技术方法
研究人员总结了多种用于构建发色团基超级电容器电极材料的关键方法：一是分子设计策略，包括供体-受体共聚、杂原子掺杂、bay位取代修饰等，用以调控能带和氧化还原活性；二是框架构建，通过Suzuki偶联、Sonogashira偶联等反应合成共轭微孔聚合物（conjugated microporous polymer，CMP）和共价有机框架（covalent organic framework，COF），提供刚性多孔网络；三是电化学聚合和热解碳化方法，用于制备导电聚合物薄膜和碳纳米纤维；四是与碳纳米管（CNT）、石墨烯、MXene等导电纳米材料复合，增强电子传输和结构稳定性。综述引用的研究涵盖多个课题组的独立工作，涉及不同合成路线和电极制备工艺。
四、主要研究结果
（一）苝类发色团
苝二酰亚胺（perylene diimide，PDI）因其强电子亲和力、优异的n型稳定性和高效电荷转移行为成为研究热点。研究人员发现，PDI-AB刚性器件在0.5 mA g?1下实现33.87 mF g?1的比电容，经2000次循环后保持93.9%；而PDI-Pyr/GF电极在0.5 A g?1下比电容达302 F g?1，对称器件能量密度达54 Wh kg?1。供体-受体共聚策略进一步提升了性能，NH-PDI共聚物在1 A g?1下比电容高达363 F g?1，经15000次循环保持稳定。此外，基于PDI的共轭微孔聚合物（Py-Ph-Pery CMP）在0.5 A g?1下比电容为300 F g?1，循环5000次后电容保持率超过93%。
（二）卟啉类发色团
卟啉及其金属配合物凭借大环共轭结构和金属中心氧化还原多样性展现出多电子存储能力。Co2?/离子液体共修饰的卟啉COF纳米膜（IL-Co-COFTAPP-DHPA）组装成柔性微超级电容器后，能量密度达67.2 mWh cm?3，5000次循环后保持91%电容。将卟啉COF与g-C?N?复合制备的POR-COF@g-C?N?在4 A g?1下比电容达788 F g?1。MWCNT@PTZ-COP复合材料在5 M NaClO?电解质中实现了2.2 V的宽电化学稳定窗口，比电容为292.7 F g?1，经20000次循环电容保持率100%。金属中心工程和框架构建是卟啉体系性能优化的核心策略。
（三）喹啉类发色团
喹啉衍生物因含氮杂环提供的赝电容活性位点而受到关注。喹啉-2,3-二甲酸（QDC）修饰的石墨烯水凝胶复合电极在1 A g?1下比电容达512 F g?1，经10000次循环后保持99%电容。HcDa-COF/rGO复合材料的比电容高达834.12 F g?1，非对称器件能量密度为28.24 Wh kg?1。喹啉基苯并噁嗪/GCN复合材料在6 A g?1下比电容为370 F g?1，电荷转移电阻低至20.8 Ω。氮杂原子掺杂和与导电碳材料的协同作用对喹啉体系性能提升至关重要。
（四）芘类发色团
芘及其衍生物凭借平面π-共轭结构和强π-π堆积作用表现出优异的电荷传输性能。芘-4,5,9,10-四酮（PyTE）基共轭微孔聚合物（TTh-Ph-PyTE CMP）在1 A g?1下比电容高达1041 F g?1，5000次循环后保持90%电容。Py-Ph-BDT CMP在0.5 A g?1下比电容为712 F g?1，对称器件能量密度为38.21 Wh kg?1。芘功能化共价三嗪框架（Pyrene-CTF-20）在0.5 A g?1下比电容为500 F g?1，经2000次循环保持97%电容。与SWCNT的π-π复合可进一步提升结构稳定性和电荷传输效率。
（五）BODIPY与喹吖啶酮类发色团
除上述四类体系外，综述还介绍了BODIPY和喹吖啶酮（quinacridone）类发色团在光辅助超级电容器中的应用潜力。交联的噻吩并[3,2-b]噻吩-BODIPY聚合物电极在光照下比电容从240 F g?1提升至362 F g?1，实现了50%的光致电容增强，经2000次循环保持90%稳定性，验证了光响应发色团在光辅助储能中的可行性。
五、讨论与展望
综述系统分析了发色团基超级电容器的结构-性质-性能关系。核心电荷存储机制包括双电层电容（EDLC）、赝电容和质子耦合电子转移（PCET）的协同贡献。供体-受体工程通过缩小HOMO-LUMO能隙促进分子内电荷转移，框架构建则通过刚性三维网络抑制溶解并提供连续导电通路。电解质选择对性能影响显著：水系电解质离子电导率高但电压窗口窄，有机电解质和离子液体拓展了工作电压但离子传输较慢，凝胶电解质适用于柔性器件。光稳定性是光辅助超级电容器面临的关键挑战，光照下可能发生光氧化降解和激子淬灭。未来研究应聚焦于开发光稳定且高氧化还原活性的分子结构、定量评估光辅助电荷存储机制、优化电解质和界面工程，并建立标准化的电化学测试协议，以推动发色团基超级电容器从实验室走向商业化应用。
研究结论
基于发色团的材料因其可调的分子结构、固有的氧化还原活性、扩展的π共轭和潜在的光响应特性，已成为下一代超级电容器的有前景的候选材料。这些体系的性能受分子设计、供体-受体相互作用、杂原子掺入、质子耦合电子转移（PCET）、电荷传输路径和电极/电解质界面过程的共同作用。比较分析表明，将发色团与导电骨架（如碳材料、MXene、COF、MOF和导电聚合物）整合可有效增强电导率、离子传输和循环稳定性。展望未来，研究应聚焦于开发光稳定且高氧化还原活性的分子架构、定量评估光辅助电荷存储机制、优化电解质和界面工程，并建立标准化的电化学测试协议。可规模化制造方法、柔性器件架构、操作态表征技术和可持续制造策略的进步，对将实验室规模的示范转化为商业可行的储能技术至关重要。采用标准化报告协议（包括明确区分质量、面积和体积指标，以及电极质量负载和器件配置）将有助于发色团基超级电容器材料的可靠基准测试。
