基于二苯并噻吩的高性能电致变色超级电容器：实现储能状态的可视化监测

当前能源需求持续攀升，化石燃料枯竭及环境污染问题促使科研界致力于开发高效的能源存储技术。在人工智能与电子技术飞速发展的背景下，具备多功能特性的超级电容器成为研究热点。通过将超级电容器与电色技术融合，构建出的电致变色超级电容器能够利用颜色变化实时光学监测储能状态，在智能窗户、建筑玻璃幕墙及可穿戴电子设备中展现出巨大的应用潜力。这种集成化系统不仅有助于节能，还能有效防止设备过充或过载，是实现能源供应可持续性的关键方向。

在实际应用中，开发同时具备高性能电致变色和高能量存储能力的材料仍面临严峻挑战。现有的氧化还原活性材料，如过渡金属氧化物和部分共轭聚合物，虽然被广泛应用，但难以兼顾优异的对比度、快速切换速度、高电容量以及良好的机械柔韧性。此外目前针对二苯并五元环类聚合物的研究主要集中在咔唑和芴衍生物，而具有刚性平面结构和优良空穴传输能力的二苯并噻吩在电致变色领域的探索相对滞后，且现有的功能化策略往往因结构扭曲损害了分子的共轭完整性，导致循环稳定性不足。

针对上述问题，由台州学院、浙江工业大学等机构组成的联合研究团队利用泽攸科技的JS系列台阶仪进行了系统研究，团队将二苯并噻吩单元引入电致变色超级电容器领域，通过在共轭骨架的3和7位点进行对称功能化设计，成功研制出兼具显著颜色变化、高光学对比度及循环稳定性的新型共轭聚合物薄膜材料。

研究团队通过在二苯并噻吩（DBT）单元的3,7位点对称引入噻吩衍生物单元，设计并合成了两种新型有机单体DBT-E和DBT-P。实验测试与密度泛函理论计算共同证实，相比于传统的2,8位点取代方式，在3,7位点进行功能化处理能够显著降低单体的能量带隙并减小分子间的扭转角，从而有效增强了高分子骨架的共轭程度。这一分子设计策略为后续制备具有低氧化电位和高电化学稳定性的共轭聚合物薄膜奠定了关键的结构基础。

图 (a)单体与聚合物的合成路线；(b)聚合物 pDBT-E 和 pDBT-P 的电聚合过程示意图

图 pDBT-E (a-c, g) 与 pDBT-P (d-f, h) 薄膜的电化学聚合曲线、扫描电子显微镜图像及原子力显微镜图像

利用循环伏安法，研究人员在氧化铟锡玻璃基底上成功实施了单体的电化学聚合，获得了厚度分别约为240纳米和154纳米的pDBT-E与pDBT-P共轭聚合物薄膜。为了精准掌握薄膜的物理特性，团队通过扫描电子显微镜观察到薄膜表面呈现出松散的颗粒状堆积结构，这种微观形貌极大地促进了电解质离子的快速传输。在此过程中，泽攸科技的JS系列台阶仪发挥了不可替代的作用，它以高精度的测量能力准确判定了聚合物薄膜的厚度规格，为评估材料的体积比容量提供了可靠的物理参数支撑。

图 (a) pDBT-E 和 (b) pDBT-P 薄膜在 0.1 M TBAPF6/ACN 溶液中于不同工作电位下的光谱电化学图

图 (a) pDBT-E 和 (d) pDBT-P 薄膜在 20 至 200 mV/s 不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线

实验结果显示，pDBT-E和pDBT-P薄膜表现出极其优异的多功能特性，能够在橙黄与深蓝之间进行可逆的颜色切换，其色差值分别达到了52.4和47.4。在电化学性能方面，pDBT-P展现出高达每立方厘米64.6法拉的体积比容量，并且在经过8000次循环测试后依然保持了72%的光学对比度，这一指标代表了目前二苯并噻吩类电致变色材料的高水平。此外，由于其非扩散限制的电容性电荷存储机制，材料表现出极快的响应速度和出色的倍率性能。

图 (a) pDBT-E 和 (b) pDBT-P 薄膜在 2 至 50 A/cm³ 不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线。 (c) pDBT-E 和 (d) pDBT-P 薄膜在 2 至 50 A/cm³ 不同电流密度下的体积比容量与库仑效率。 (e) pDBT-E 和 (f) pDBT-P 薄膜在 10 A/cm³ 电流密度下的 GCD 循环稳定性

为了验证材料的实际应用潜力，研究团队以新型聚合物作为活性层，成功构建了夹层结构的非对称电致变色超级电容器器件。该器件在充电和放电过程中能够展现出明显且可逆的颜色波动，将储能状态精确地映射为直观的视觉信号，有效实现了对能量存续水平的实时监测。这项工作不仅标志着二苯并噻吩被成功应用于电致变色超级电容器，也为未来开发高性能的多功能智能显示器及可穿戴电子设备开辟了新的技术路径。

图 (a) 本研究中电致变色超级电容器（ESC）器件的结构示意图。 (b) 基于 pDBT-E 的器件（尺寸：2.5 × 2.5 cm²）在不同工作电位下的光谱电化学图，内插图展示了电致变色（EC）的颜色变化。 (c) 基于 pDBT-E 的器件在 635 nm 处的开关响应和光学对比度。 (d) 基于 pDBT-E 的器件在 20 至 200 mV/s 不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。 (e) 基于 pDBT-E 的器件在 2 至 50 A/cm³ 不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线及 (f) 体积比容量与库仑效率。 (g) 基于 pDBT-E 的器件在 10 A/cm³ 电流密度下的 GCD 循环稳定性。 (h) 基于 pDBT-E 的器件在 10 A/cm³ 电流密度下，635 nm 处的透光率变化与 GCD 曲线的关联图，及相应的颜色变化

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图 泽攸科技JS系列台阶仪

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