Herein, we report hybrid electrodes using mussel-inspired redox-active polydopamine (PDA) functionalized on reduced graphene oxide (rGO) for high-performance supercapacitors. The extent of polymerization of dopamine is controlled by the polymerization time of dopamine that demonstrates the optimized conditions for hybrid electrodes in terms of electrochemical performances. Particularly, the PDA provides not only hydroxyl and amino groups (amphiprotic groups), but also fast and reversible quinone-hydroquinone proton-coupled electron-transfer reactions, enabling improved capacitive behaviors with respect to areal capacitance, rate capacity, and long cycle lives.

본 연구에서는 환원된 산화 그래핀 전극 표면에 가역적인 산화·환원 반응을 유발하는 폴리도파민 물질을 기능화하여 하이브리드 소재를 제조하였고, 이를 고용량 슈퍼커패시터 전극 소재로 응용하였다. 폴리도파민의 단량체인 도파민의 중합시간을 달리하여 그래핀 표면에 기능화 정도를 조절하였고, 전극 소재로써의 전기화학적 성능을 고려한 최적의 도파민 중합시간을 확인할 수 있었다. 특히, 폴리도파민 내 하이드로퀴논 관능기는 방전 시 2개의 양성자 및 전자를 잃고 퀴논 그룹으로 상호변환이 되고, 충전 시에는 역시 2개의 양성자 및 전자의 이동을 동반하며 역반응이 유도된다. 충·방전에 따라 가역적인 이 반응으로 인해 하이브리드 커패시터 전극 소재는 높은 커패시턴스 성능, 율성능, 및 장기간 충·방전 안정성 구현이 가능하였다.

Keywords: polydopamine, graphene, supercapacitor, electrode, quinone electrochemistry