氣凝膠是一種孔隙率高達(dá)80%-99%，比表面積達(dá)400-1000m2/g，密度低達(dá)3-600kg/m3的三維納米多孔材料，由于其制備過(guò)程特殊，凝膠制成后會(huì)形成保持原有形態(tài)的骨架結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生納米級(jí)孔洞，故其在傳感、儲(chǔ)能、吸附、化學(xué)催化等多個(gè)領(lǐng)域均具有重要的研究意義。為了更好的開(kāi)發(fā)利用石墨烯的優(yōu)良性能，研究者們把目光聚集到三維結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠上，由于其擁有石墨烯和氣凝膠高孔隙率、大比表面積、優(yōu)異的電導(dǎo)率、良好的熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域引起了研究者的廣泛關(guān)注。

1.石墨烯氣凝膠的制備

1.1石墨烯氣凝膠的直接制備法

1.1.1模板法

銅、鎳等過(guò)渡金屬和二氧化硅、氮化硼等非金屬材料都可以作為石墨烯薄膜化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的基底。將上述二維基底替換為具有三維多孔結(jié)構(gòu)的基底，可實(shí)現(xiàn)石墨烯的三維生長(zhǎng)以獲得石墨烯氣凝膠材料。Cheng等人以CH4為碳源、鎳泡沫為基底，制得高比表面積、高孔隙率、高導(dǎo)電性、自支撐的三維石墨烯氣凝膠。

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1.1.2化學(xué)交聯(lián)法

化學(xué)交聯(lián)法是通過(guò)交聯(lián)劑引導(dǎo)石墨烯形成三維石墨烯水凝膠，再經(jīng)過(guò)冷凍干燥得到石墨烯氣凝膠。不過(guò)由于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)脆弱，還應(yīng)再加入特定有機(jī)化合物增強(qiáng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。Li等人使用有機(jī)交聯(lián)劑制備出了具備高導(dǎo)電率、大比表面積的微膠囊狀石墨烯氣凝膠。

1.2石墨烯氣凝膠的還原制備法

由二維石墨烯構(gòu)建模塊組裝宏觀結(jié)構(gòu)是集成或增強(qiáng)光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能最可行、最有效的方法。但石墨烯在溶劑中的溶解度都很低，因此氧化石墨烯（GO）成為理想的替代品。GO的平面結(jié)構(gòu)和豐富的含氧官能團(tuán)有利于通過(guò)各種技術(shù)組裝成具有層次結(jié)構(gòu)的宏觀架構(gòu)。首先通過(guò)氧化石墨烯二維片層之間交聯(lián)、搭接，組裝成為氧化石墨烯水凝膠，再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯氣凝膠的制備。

1.2.1氧化石墨烯水凝膠的制備

常見(jiàn)的氧化石墨烯水凝膠制備方法有聚合物交聯(lián)法、小分子促進(jìn)劑法和無(wú)交聯(lián)劑法。聚合物交聯(lián)法可選擇具有分子鏈捆綁、氫鍵錨定能力的聚合物，以及可調(diào)控GO片層間靜電作用力的聚合物，交聯(lián)形成穩(wěn)定的石墨烯凝膠。小分子促進(jìn)劑法可選擇小分子促進(jìn)劑，通過(guò)靜電引力實(shí)現(xiàn)約束、綁定GO片層，完成GO片層組裝與凝膠化。無(wú)交聯(lián)劑法是指引入酸類(lèi)，降低體系pH值，破壞靜電平衡實(shí)現(xiàn)GO片層的組裝與凝膠化。

1.2.2氧化石墨烯氣凝膠制備

制備氧化石墨烯水凝膠后，再利用特殊的干燥手段（冷凍干燥、超臨界干燥、常壓干燥等），將水凝膠中的液體溶劑置換成氣體，同時(shí)又保持三維網(wǎng)絡(luò)不被破壞，即可得到氧化石墨烯氣凝膠。

冷凍干燥是一種從包含固體顆粒的懸浮液中獲得多孔結(jié)構(gòu)的方法，冷凍過(guò)程中粒子從形成的冰中被排斥，并在冰晶邊界聚集形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，其形態(tài)由冰模板決定。Liu等人采用抗壞血酸還原GO分散液，然后進(jìn)行定向冷凍和冷凍干燥，該法制備的石墨氣凝膠具有各向異性結(jié)構(gòu)，在軸向(冷凍方向)上具有高抗壓強(qiáng)度和良好的可壓縮性，可用于有機(jī)液體的吸收。

冷凍干燥是在不破壞三維石墨烯結(jié)構(gòu)的情況下去除結(jié)構(gòu)中分子的最方便、最有效的技術(shù)，是目前最常用的干燥技術(shù)。超臨界干燥主要包括甲醇、乙醇等溶劑的高溫超臨界干燥和二氧化碳低溫超臨界干燥。

超臨界流體和液體相比，粘度較低，擴(kuò)散速度快，很容易擴(kuò)散到凝膠的孔隙中，從而提高干燥效率。凝膠干燥過(guò)程中毛細(xì)管壓力驅(qū)動(dòng)的收縮可通過(guò)降低液體表面張力來(lái)減少，而超臨界干燥消除了表面張力從而避免了石墨烯氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的損壞，提高了物理性能，如體積密度、力學(xué)性能、導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率等。

Cheng等人在最近的研究中通過(guò)水熱還原GO分散液和超臨界乙醇干燥，制備了楊氏模量、屈服強(qiáng)度等機(jī)械性能增強(qiáng)的石墨烯氣凝膠。但是超臨界干燥技術(shù)對(duì)設(shè)備要求較高，具有成本高昂等缺點(diǎn)。

常壓干燥技術(shù)可以在室溫和常壓條件下進(jìn)行，具有成本低、易加工、無(wú)特殊設(shè)備要求、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。然而，該法制備的石墨烯氣凝膠存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小、體積收縮嚴(yán)重和開(kāi)裂等問(wèn)題，其性能有待進(jìn)一步提高。

氧化石墨烯氣凝膠亦可由誘導(dǎo)組裝法制得。誘導(dǎo)組裝法是使用外界的誘導(dǎo)因素，打破GO不穩(wěn)定的平衡體系，當(dāng)體系再次平衡時(shí)就可能獲得石墨烯凝膠結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)熱處理即可得到多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠。S.O.Kim、D.Li等人分別使用水滴和冰晶誘導(dǎo)了GO的組裝，得到了均勻大孔結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯氣凝膠[8]。

1.2.3氧化石墨烯氣凝膠的還原

將氧化石墨烯進(jìn)一步還原即可得到石墨烯氣凝膠。還原方法主要包括：水熱還原法、熱還原法、化學(xué)還原法。水熱還原法即在高溫、高壓及水溶液條件下，GO消除含氧官能團(tuán)，恢復(fù)共軛結(jié)構(gòu)，并相互搭接、組裝并獲得石墨烯凝膠；熱還原法即將氧化石墨烯氣凝膠溶解于較溫和的還原劑中，使用水浴靜置加熱，可以獲得穩(wěn)定性好、均一性好石墨烯凝膠；化學(xué)還原法即將氧化石墨烯氣凝膠放入還原性酸溶液中加熱，取出后自然冷卻，使用去離子水洗滌以去除殘留，干燥后即可得到石墨烯氣凝膠

2.石墨烯氣凝膠的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1傳感器

石墨烯材料具有高載流子遷移率、高力學(xué)強(qiáng)度等特性，通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)以獲得兩種載流子的雙極性行為，使石墨烯同時(shí)接收多種傳感信號(hào)。同時(shí)氣凝膠材料具有多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)壓力十分敏感，其與碳納米管復(fù)合，可制得控制燈泡亮度的壓力開(kāi)關(guān)。石墨烯也可以通過(guò)壓阻效應(yīng)接受聲音頻率信號(hào)，準(zhǔn)確區(qū)分不同長(zhǎng)度的聲波，制成智能石墨烯人工喉。除此之外，石墨烯氣凝膠和氣體作用可以導(dǎo)致電導(dǎo)率改變。這些性能使得石墨烯氣凝膠在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)、氣體等多個(gè)方面都可被制成傳感器。

2.2電極材料

由于石墨烯氣凝膠在保持了石墨烯的優(yōu)良性能的同時(shí)擁有豐富的孔隙，在參雜其他原子改性后可極大提高電容器容量。加州大學(xué)圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用氧化錳改性的石墨烯氣凝膠，制成電極放入電容器中使用。其單位面積上的電荷存量超過(guò)了目前所有的電容器，并且在兩萬(wàn)次的充電、放電循環(huán)后仍能保持90%的初始電容量，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

2.3吸附材料

石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)及氣凝膠的高孔隙率、多吸附活性位點(diǎn)賦予了石墨烯氣凝膠極高的吸附效率，使其對(duì)多種有機(jī)物質(zhì)有較強(qiáng)的吸附能力。除吸附有機(jī)物質(zhì)和油類(lèi)外，還可吸收染料廢水中的亞甲基藍(lán)。此外，石墨烯氣凝膠具有良好的疏水性、較大的比表面積、微米級(jí)和亞微米級(jí)的特殊孔結(jié)構(gòu)，這些特質(zhì)利于氣體分子在其中迅速擴(kuò)散，前文中提到的活性吸附點(diǎn)可與部分有害物質(zhì)互相作用，使有害物質(zhì)富集在氣凝膠上，可用于空氣凈化、環(huán)境分析等。

2.4屏蔽電磁干擾材料

石墨烯氣凝膠屏蔽電磁干擾的性質(zhì)被認(rèn)為與其sp2石墨烯晶格和氣凝膠的3D多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。Bi等研究超輕石墨烯氣凝膠后發(fā)現(xiàn)，其對(duì)電磁干擾的屏蔽效能增加了7.2分貝。

2.5催化領(lǐng)域

由于傳統(tǒng)陰極催化劑常為貴金屬，價(jià)格高昂而且穩(wěn)定性較差。而采用水熱法、濕化學(xué)法制備的CoMn2O4納米離子/氮磷雙摻的石墨烯氣凝膠和采用水熱反應(yīng)、熱解法制備的Co1-xS/氮硫雙摻的石墨烯氣凝膠，價(jià)格、穩(wěn)定性和抗腐蝕性等性能都優(yōu)于貴金屬，有望替代成為甲醇燃料電池和堿性燃料電池中常用的催化劑。

石墨烯氣凝膠是一種典型的納米碳材料組裝體，其重量輕、比表面積大、力學(xué)性能穩(wěn)定、電導(dǎo)率高等優(yōu)異特性賦予了石墨烯材料廣闊的應(yīng)用前景。本文總結(jié)概述了目前常見(jiàn)的石墨烯氣凝膠制備方法及應(yīng)用方向。盡管目前對(duì)于石墨烯氣凝膠的大批量組裝制備和性能調(diào)控仍顯不足，但隨著石墨烯氣凝膠制備方法的不斷改善及應(yīng)用領(lǐng)域的深入研究，石墨烯氣凝膠材料將會(huì)迎來(lái)更好的發(fā)展。