石墨烯是碳原子以sp2杂化方式经过六方堆积而形成的类似蜂窝形状的二维晶体材料。自被发现以后,便受到全球学术界的广泛关注。英国曼彻斯特大学的安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授因在2004年成功从石墨中分离出石墨烯而获得了 2010年的诺贝尔物理学奖,从此,有关石墨烯的研究迎来了一股热潮。它是迄今为止发现的最薄材料,具有独特的光学、电学、力学、热学等优异性质,在光电器件、能源存储与环保以及生物医学等领域具有广阔的应用前景。然而,由于石墨烯片层之间强烈的π-π相互作用、氢键和范德华力使得它容易发生不可逆的堆叠与团聚,在性能上便展现出一定的化学惰性、难分散、比表面积缩小和电阻增大等缺点,这就给石墨烯在实际生活中的规模化应用造成了一定的限制。如何最大程度地发挥单层石墨烯的本征性能并进行应用,依然是一个巨大的挑战。对石墨烯进行功能化调控,使其组装形成分层多孔的三维网络宏观结构,是解决石墨烯应用瓶颈的有效途径之一。本课题针对石墨烯在制备与应用过程中存在的科学问题,以氧化石墨烯(GO)前驱体为初始原料,通过对其进行功能化调控组装,获得了三种不同的多功能石墨烯复合材料气凝胶,并着重研究了石墨烯气凝胶的自组装机制,考察了复合材料气凝胶的性能及实际应用情况。论文主要工作内容与研究结果如下:1.石墨烯气凝胶水热自组装机制研究采用水热还原法实现了氧化石墨烯(GO)片层的宏观自组装,结合冷冻干燥技术获得了内部结构相互交联的三维分层多孔石墨烯气凝胶。通过调控反应过程中GO溶液浓度、水热反应时间和反应温度三个实验参数,获得了相应条件下的气凝胶材料,并对其微观结构进行了表征分析。实验研究结果表明,这三个工艺参数均对石墨烯宏观组装过程与微观结构形貌形成有重要影响,其中,GO溶液浓度为2.5mg/mL、水热反应时间6h和反应温度110℃均为相应石墨烯水凝胶成型的临界状态,尤以反应温度对石墨烯水凝胶的成型最为关键。此外,纳米颗粒的引入对石墨烯气凝胶的形成起到促进作用。最后,采用溶液-溶胶-凝胶理论和热力学方程对水热过程中石墨烯水凝胶的形成机制进行了合理的讨论与解释。2.三维还原氧化石墨烯/金纳米颗粒气凝胶性能研究结合水热自组装、冷冻干燥和高温退火三种方法成功合成了三维还原氧化石墨烯/金纳米颗粒气凝胶(3DrGO/AuNPA)材料。微观形貌表征结果表明,大量平均粒径为31.6nmm的Au NPs可以作为阻隔层均匀附着在石墨烯上下表面,有效地减少了石墨烯片堆叠、团聚的机会。系列表征方法表明3D rGO/AuNPA具有密度轻(35.18mg/cm3)、比表面积(37.8325 m2g-1)巨大、孔隙率高和热稳定性好等优点。在NaBH4还原剂存在下,该气凝胶短时间(18min)内催化还原对硝基苯酚(4-NP)的效率高达96.9%。该气凝胶不仅机械柔韧性好(杨氏模量为30.8kPa),对有机溶剂吸附容量达自身比重数十倍,而且具有较高的比电容(363F/g)。此外,Zeta电位测定结果证明了 GO与金纳米棒因带异种电荷而不能形成气凝胶。3.石墨烯/硫化镉纳米线气凝胶的制备与性能研究将超声混匀、高温水热与冷冻干燥三种方法相结合,制备出了具有三维多孔网络结构的石墨烯/硫化镉纳米线气凝胶(RGO/CdS aerogel)二元复合材料。微观形貌表征结果显示,大量平均直径为43nm、长为4～6μm的CdSNWs可以穿插分布于石墨烯片层之间。系列表征手段表明GO在高温水热过程中具有撒网捕鱼功能,可将分散于其中的纳米粒子如CdS NWs捕获并进行组装。RGO/CdS aerogel具有良好的热稳定性、巨大的比表面积(47.6723m2g1)、丰富的孔隙率和高的有机溶剂吸附性能;可见光催化降解MB和RhB的效率分别高达96.60%、96.58%,具有一定的荧光猝灭功能;比电容较高(255F/g),导电性好(电导率K=2.694×10-3 S/cm),在弹性导体领域具有一定的潜在应用前景。4.石墨烯/二氧化钛纳米纺锤体气凝胶的制备、性能与应用综合运用水热原位还原组装、冷冻干燥和高温氮气退火技术制得了石墨烯/二氧化钛纳米纺锤体气凝胶(Ti02/RGO aerogel)复合材料。微观形貌表征结果显示平均长度为206nm的Ti02纳米纺锤体也可作为阻隔层均匀分布在石墨烯片上下表面,对影响该复合材料气凝胶结构与形貌的两个主要因素-反应时间和反应温度进行了讨论分析。一系列的表征手段表明Ti02/RGO aerogel也具有多孔、超轻(23.61mg/cm3)和比表面积巨大(63.7162m2g-1)的特点。该气凝胶紫外光催化降解有机染料MB和RhB的效率分别高达97.95%、98.26%,并且循环利用率高;它也具有荧光猝灭功能和较高的比电容(345.2 F/g),对有机溶剂吸附量大,导电性能优异(电导率K=3.82×10-3S/cm),经PDMS浇筑后弹性增强,可用于构建柔性电子皮肤模型。5.石墨烯气凝胶及复合材料在超级电容器中的应用采用循环伏安法研究了不同温度下制备的石墨烯气凝胶、3DrGO/AuNPA、RGO/CdS aerogel和Ti02/RGO aerogel以及相关材料的电极比电容特性。实验结果表明,石墨烯气凝胶优异的导电性、高的孔隙率和巨大的比表面积有助于提升超级电容器电极材料的电容性能;它内部开放连续的三维分层多孔网络结构为电子、离子的传递提供了丰富的通道,有利于电解液的浸润与吸附;一些纳米粒子的附着与插层作用一定程度上避免了石墨烯片层的再堆叠现象,提高了材料的孔隙率,使得石墨烯气凝胶成为一种理想的电化学超级电容器电极材料。