随着自然环境的日益恶化和传统化石燃料的极速消耗,新一代的能量转换、传输和存储器件的开发与应用越来越受到重视。同其他存储器件相比,超级电容器由于其较高的功率密度、稳定的循环性能和较长的使用寿命受到了人们的青睐,被广泛应用到新能源汽车上。然而,传统的电极材料质量比容量较低,逐渐的难以满足便携能量存储设备小型化、可移动化的需求,这对超级电容器的发展造成了一定程度的影响。因此,需要发现、构筑新型的电极材料,在满足实用所需的高比容量、高稳定性要求同时,无毒无害、易于降解和绿色环保等特性同样也被纳入了考虑。作为自然界储备最多的天然有机分子,叶绿素类有机材料广泛存在于天然藻类、光合细菌和绿色植物中,四吡咯环的外围结构存在多个活性位点,具有很高的可调整性。如果能将叶绿素及其衍生物开发作为高效的超级电容器材料广泛使用,既解决了传统材料性能不足的问题,又实现了廉价可再生材料的有效利用。在高效率、高性能、高稳定性的同时,兼具成本低廉、高性价比、绿色环保的超级电容器,具有极高的应用前景,将为未来新型清洁能源体系的构建提供一种新思路。首先,作为将叶绿素类衍生物应用于超级电容器的尝试,我们将自组装J聚集的叶绿素衍生物利用刮涂法将其涂附为超级电容器电极活性材料,对其电化学性能进行测试。在三电极测试系统中,单纯的叶绿素衍生物电极片在10 m V s-1的扫描速率下能够达到55 F g-1。同时利用活性炭电极作为负极,跟自聚集的叶绿素衍生物正极组建了非对称复合超级电容器。器件的比电容在10 m V s-1的扫描速率下比容量为18.2 F g-1（24.3 C g-1）。再将其与叶绿素体系的太阳能电池组装在一起,构成了一个基于叶绿素的绿色环保、节能高效的能量捕获、转化、储存系统,凸显了其实用价值。本研究将叶绿素衍生物应用到储能体系中,并取得了合理的电化学性能,为开发低成本、无污染的超级电容器提供了丰富的材料来源。为了进一步提升叶绿素类衍生物基超级电容器电极的电化学性能,我们需要对其结构进行改进。我们选取同叶绿素结构较为类似的原卟啉和锰基原卟啉为起始材料,探索提高比电容的方法。利用卟啉环上不饱和乙烯基的电化学耦合,得到了对应的原卟啉聚合薄膜和锰基卟啉聚合薄膜。对卟啉粉末和得到薄膜的吸收光谱和红外光谱,证实了有机聚合薄膜的生成。延伸π共轭骨架的延长了电子在卟啉分子内的通道,提高了电子的传输速度,从而获得更为优秀的电化学性能。由于中心金属锰的关系,聚合锰卟啉生成了额外的配位键,使得其薄膜为清晰的层状结构,这也使得在充放电过程中聚合锰卟啉与电解液离子有了更充分的接触,获得了更高的容量。在三电极体系中,聚卟啉薄膜的性能达到了93 F g-1,而聚锰卟啉薄膜的比电容则达到了更高的135 F g-1。而在循环性能测试中,聚卟啉和聚锰卟啉薄膜在2000次充放电测试后比电容也没有明显的下降,显示出优秀的循环稳定性。该研究证明,利用卟啉环上不饱和键的电化学耦合,完全可以合成出具有更优秀电化学性能的聚合有机材料。在成功合成聚合卟啉薄膜后,我们继续推进研究工作,进一步探究了乙烯基金属叶绿素的电化学聚合。我们设计了一系列仅在四吡咯环C3位点上有乙烯基不饱和双键的金属叶绿素（锌、镍、铜、镁、钴和镓）,成功利用循环伏安法首次制备了叶绿素基有机聚合物薄膜。在紫外-可见光光谱中,薄膜soret峰的明显拓宽和微小红移证实了叶绿素聚合的发生;在电子显微镜中同样观察到样品从无序块状结构到均匀有序纳米球体的转变。将这些聚合薄膜作为三电极体系的电极活性材料,电化学性能最高的聚合铜叶绿素薄膜的比电容高达334 F g-1,在10000次充放电循环后容量仍为原本容量的90%。该研究发现了一个全新的生物基有机聚合物体系,同时也指出了聚合叶绿素在储能领域的巨大潜力。最后,为了进一步研究叶绿素中不饱和键的种类对叶绿素是否可以发生聚合所产生的影响,我们设计了四吡咯环的C3位点为乙基、乙烯基、乙炔基的金属基叶绿素衍生物,同样利用电化学聚合的方法,观察其在伏安循环过程中曲线的变化。在循环过程中,加有乙基叶绿素电解液的伏安循环曲线并没有发生变化,导电玻璃基底上也没有有色薄膜的出现,证明乙烷基叶绿素并没有发生聚合;而对于乙烯基和乙烷基叶绿素,其伏安循环曲线发生明显变化,导电玻璃上也出现了明显的深色可见薄膜,由此证明了不饱和键在叶绿素聚合过程中起了关键作用。乙烯基和乙炔基聚合叶绿素薄膜在后续的吸收光谱测试差别并不明显,说明聚合物有着类似分子结构,都为依靠不饱和键组装成的链状分子。在电化学测试中,乙炔基的镍金属叶绿素聚合物的比电容达到了466 F g-1。在利用乙炔基的镍金属叶绿素聚合薄膜组装成固态对称超级电容器之后,我们将其与叶绿素基的有机太阳能电池利用共电极的方法连接起来,模拟自然过程中叶绿素对光能转换存储的光合作用过程,组成了一个基于叶绿素的绿色环保、可持续发展的集成能量转换存储器件。该叶绿素的太阳能转换存储器件在不同光照强度下稳定完成多个充放电循环,且过程中并没有出现光能转换或者电能储存的性能衰减,凸显了其实用价值。我们所组装的叶绿素太阳能能量转换存储器模拟光合作用过程,完成了光能的转换与存储,且构成材料廉价易得、绿色环保,为未来绿色清洁能源系统的构建提供了一个新颖可行的方法。以上基于叶绿素类衍生物探索和研究逐步让我们发现了一系列有着巨大发展潜力的叶绿素聚合物,其保留了叶绿素的主要结构,但延伸的π共轭体系有效的改善了其电化学性能,了解和认识到其在储能领域的应用潜力,有助于实现廉价绿色可再生能量储存器件的商用化应用。