导电聚合物/氧化石墨烯复合电极在生物电化学体系中的应用研究(2)
1.1 碳电极材料
在目前已知的电极材料中，关于碳电极材料的研究最多，成果最多，工业化应用也最多。碳电极材料主要包括：活性炭、多孔碳、碳纤文、玻璃碳、碳纳米管（CNT）、高活性中间相碳微球和碳气溶胶等。
能量密度是体现碳材料性能的核心，所有的研究都是以提高碳电极材料的能量密度为根本目的，具体的研究方向则集中于有效比表面积的提高以及对可控微孔孔径的优化两方面。对于碳材料有效比表面积如何提升的相关研究，一开始是从材料本身入手，所以碳电极材料形态的选择经历了数次更迭，起初人们热衷于多孔碳材料的研究，随后相继经历了活性碳材料、活性碳纤文、碳气溶胶及至现在最热门的碳纳米管。
石墨毡（GF）因其良好的稳定性和较高的比表面积，已被广泛用作钒氧化还原的电池（VRB）的电极材料，但其较差的电化学活性依然限制了电压效率以及VRB的功率密度。研究人员为此开发了各种GF电极的修饰方法，以提高其电化学性能，包括金属电沉积[3,4]、热激活[5]和酸处理[6-8]。电化学氧化是其中一种很有效的技术，通过对碳基材料的表面的不同处理，可以引入多种类型的含氧表面官能团还能增加其表面粗糙度；同时，该技术控制方便，所需实验条件也较为温和[9,10]。
1.2 过渡金属氧化物电极材料
对电极材料的发展历程影响巨大的RuO2法拉第赝电容的储能原理来源于Conway等人在1975年的研究，关于过渡金属氧化物电极材料的更多研究也由此展开。储能原理阐释了电解液以及材料之间发生的可逆的法拉第反应是储能的根本原因。关于过渡金属氧化物的研究，主要集中于以下四个方面：（a）对于电极材料导电性能影响最大的有效比表面积；（b）制备RuO2时掺杂其他金属氧化物以达到提升性能的同时节约材料成本；（c）探索可发挥相同作用但成本更低的新材料；（d）探索其他更合适的电极材料共同制作性能更强大的超级电容器[11-13]。
研究表明：碳/金属氧化物组装而成的超级电容器比能量以及比功率完全符合要求，但常态下的金属氧化物其晶体结构对电解液的渗透有较大影响，严重降低了材料的利用率。因此，探索其他更有效且成本更低的过渡金属氧化物是现阶段的主要研究方向。金属锰价格相对便宜，对环境污染较小，因而受到了研究者们的更多关注，目前研究最多的金属氧化物为MnO2。
1.3 导电聚合物电极材料
导电聚合物是人工合成的高分子聚合物，因其导电性能优异而备受研究人员的关注，大部分导电性能介于半导体材料与金属之间，其中导电能力最好的基本与金属相当。1976年，Shirakawa和Louis等人共同合成了聚乙炔，高达103 s/cm的电导率吸引了更多的科学家参与到导电聚合物的研究中，越来越多新的导电能力更强的导电聚合物在实验室中诞生，迄今为止，在研究人员的努力下已有上百种新的导电聚合物相继问世[14]。
依据导电机理的不同，将导电聚合物分为氧化还原型导电聚合物、离子导电型聚合物以及电子导电型聚合物[15]。顾名思义，氧化还原型导电聚合物即利用氧化还原反应转移电子并传递电荷，聚合物的骨架上含有可发生氧化还原反应的物质，即活性基团，是该聚合物最重要的部分；离子型导电聚合物大部分为聚合物电解质，以正负离子作为载流电子，因而得名，载流电子在聚合物分子间转移以传递电荷；电子导电型聚合物的核心在于大分子中大共轭链上的离域电子，通过该电子的移动达到电荷传递的目的，因此也有人称其为共轭导电聚合物，聚合物分子内单键与双键的交替出现，导致共轭π轨道出现重叠结构现象，为离域π电子的迁移提供通道。关于电子导电型聚合物的研究硕果累累，目前主要集中在聚芳环、芳稠环化合物及其衍生物、聚乙炔以及聚芳杂环化合物及其衍生物(如聚吡咯等)。