石墨烯气凝胶作为一种新兴的三维碳基材料,其梯级孔结构、高导电性、低密度等优势赋予其在离子吸附、污水处理、电化学传感及储能领域高应用潜力,是材料科学领域的研究热点。本文通过不同的功能化修饰策略,合成了高结构稳定性、大比表面积、低密度及高空隙率的石墨烯基气凝胶,系统研究了各种功能化策略带来的性能演变与优化。具体研究内容如下:1.研究低聚合度的聚吡咯球对石墨烯基气凝胶机械强度及电容性能的调控。结果显示,当向石墨烯气凝胶中引入适量的聚吡咯球后,再经高温退火,即可制备高结构稳定性、低密度及高电容的石墨烯基气凝胶。该气凝胶的密度为9.6 mg cm^-3,杨氏模量达8.7 k Pa。当用作电极材料时,其在1 A g^-1下循环充放电5000次后能保持初始电容(346 F g^-1)的96.5%。2.探讨N,N-二甲基甲酰胺（DMF）对氧化石墨烯自组装成石墨烯气凝胶的影响。由于DMF能促使氧化石墨烯更稳定地分散,而且在还原自组装的过程中,其还能在石墨烯片层之间产生氢键辅助交联。因此当引入的DMF占前驱体分散液体积的10%时,制备的石墨烯气凝胶拥有最高的比表面积701 m² g^-1,明显高于纯水系溶液下合成的气凝胶(521 m² g^-1)。向含10%DMF的氧化石墨烯溶胶分散液中加入不同含量低聚合度的吡咯球从而调控气凝胶的机械强度。结果显示,前驱体溶胶分散液中聚吡咯球与氧化石墨烯的质量比为1:10时,合成的复合气凝胶同时拥有高杨氏模量（45.33 k Pa）及大比表面积(686 m²g^-1),而且其水接触角小于90°,具备一定的水浸润性。这些性能可使其作为一种优异的吸附材料应用在污水处理领域。3.以石墨烯气凝胶为基质,利用脉冲电聚合技术将氧化石墨烯及聚吡咯同时沉积在气凝胶的三维网络结构中,合成一种高电化学活性的三元复合电极材料。此材料在10 A g^-1的恒电流密度下循环充放电5000次后,仍能保持初始容量(535 F g^-1)的85.7%。该方法为研发新型储能材料提供了一种新思路。4.以氮掺杂碳微球/石墨烯复合气凝胶为骨架材料,结合单极脉冲电聚合技术及表面离子印迹技术合成了一种新型的石墨烯基气凝胶锂离子印迹膜。氧化石墨烯作为一种大尺寸的抗衡阴离子,当它被固定到聚吡咯链间后,能够赋予材料阳离子交换行为,还能通过π-π作用实现冠醚的固定;此外,氧化石墨烯片层上的羧酸根阴离子也起到将Li⁺辅助定位至冠醚空腔的作用;吸附电位产生的负电场可加速酸性浸取液中锂离子向锂离子印迹空穴的迁移速率。所得锂离子印迹材料对酸性浸取液中的锂离子呈现较高的锂离子分离性能。经历10次电化学吸脱附循环,仍可保持初始吸附容量(41.05 mg g^-1)的91.7%,而且酸性浸取液中的Li⁺相对于Na⁺、K⁺、Mg²⁺及Al³⁺的选择分离因数分别达到51.99、19.66、14.37及12.40。此材料在简化工业提锂的工序及降低成本上拥有潜在的应用优势。