石墨烯气凝胶是以二维的石墨烯作为构筑单元,通过纳米片之间的卷曲和堆叠,形成的具有独特三维结构的新型纳米材料,具有超低密度、高比表面积和孔隙率、高电导率等,在吸附、催化剂载体、能量储存、传感器等领域具有很强的应用前景。本论文采用了一种简单高效的方法,制备了结构规整、孔隙结构丰富、力学性能良好的三维可压缩回复的石墨烯气凝胶材料,探索了其在有机溶剂/油的吸附材料、受应力控制电阻传感器和燃料电池中氧还原反应催化剂方面的应用。研究工作主要包括以下几个方面:1.通过改进Hummers法成功制备了单层的氧化石墨烯(GO),GO片层厚度为1.2nm,片层上引入了部分含氧基团,但热稳定性下降明显,到600℃时失重已达38%。2.以GO为前驱体,以尿素作为还原剂,通过一步还原自组装法和冷冻干燥技术成功制备了石墨烯气凝胶,研究了还原剂用量,还原时间和还原温度对结构和性能的影响。结果显示,随着尿素含量的增加,水凝胶块体的体积逐渐减小,当含量较高或较低时,干燥之后均会发生不同程度的破裂,以GO和尿素质量比为1:5时最佳;随着还原时间的增加,水凝胶块体的体积缩小,超过24h之后,所形成的石墨烯水凝胶块体的体积基本稳定。3.重点研究了还原温度对石墨烯气凝胶结构和性能的影响。结果表明,随着温度增加气凝胶块体不断减小,85℃时气凝胶的密度仅为4.7mg·cm-3。SEM分析显示均具有丰富的孔隙结构,90℃时得到的气凝胶具有孔径分布均匀、―蜂窝状‖的孔隙结构,孔径一般在60μm左右。经还原后,气凝胶的热稳定性比GO有所提高,在600℃时失重为23%。气凝胶具有优异的力学性能,当应变为50%时,最大应力可达到6.34kPa。4.通过改变氧化石墨烯水溶液的浓度,成功制备了三维多孔石墨烯气凝胶,其密度可在6.3mg·cm-3到9.9mg·cm-3之间调控。氧化石墨烯在还原组装的过程中结构和组成发生了变化,部分含氧基团脱除,并伴有少量的氮元素掺杂入石墨烯中。所制备的石墨烯气凝胶具有相对光滑的表面和多孔的内部结构,优异的压缩可回复性能,在压缩-回复100次之后其力学强度几乎没有发生明显的变化。当应变为70%时,最大应力能达到19.3kPa。5.将石墨烯气凝胶应用于有机溶剂/油的吸附剂材料,针对吸附物的种类和性质,以三氯甲烷、正己烷、泵油作为吸附物,分别采用吸附-蒸馏、吸附-燃烧、吸附-挤压三种方法,探究了多次吸附-脱附的循环使用情况。所制备的多孔石墨烯气凝胶均具有优异的循环稳定性能,10次循环后吸附量和尺寸稳定性能均能较好的保留。对正己烷的首次吸附量为105.2g·g-1,对氯仿的吸附量为126.5g·g-1,对泵油的吸附量为178.6g·g-1,显示出很高的吸附能力。6.对所制备的石墨烯气凝胶在氮气下进行热处理后,其石墨化程度有一定程度的增加,疏水性提高,接触角从130°提高到142°,电阻率从2542.5Ω·m下降到1.2Ω·m,下降了2500倍,电阻由11.4 kΩ减小到0.98 kΩ。在不同压缩状态下其电阻随应变而变化,可作为受应变控制的电阻传感器。7.将热处理的石墨烯气凝胶作为催化剂,研究了燃料电池阴极的氧还原反应。所制备的气凝胶具有一定的氧还原性能,并且随着气凝胶热处理温度的提高,氧还原峰的形态和强度发生了变化,起峰电位和稳态扩散电流也发生了较大的变化。