氣凝膠是一種孔隙率高達80%-99%，比表面積達400-1000m2/g，密度低達3-600kg/m3的三維納米多孔材料，由于其制備過程特殊，凝膠制成后會形成保持原有形態(tài)的骨架結構，并產(chǎn)生納米級孔洞，故其在傳感、儲能、吸附、化學催化等多個領域均具有重要的研究意義。為了更好的開發(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構的石墨烯氣凝膠上，由于其擁有石墨烯和氣凝膠高孔隙率、大比表面積、優(yōu)異的電導率、良好的熱導率和機械強度等優(yōu)點，在學術研究和應用領域引起了研究者的廣泛關注。

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氣相沉積生長的基底。將上述二維基底替換為具有三維多孔結構的基底，可實現(xiàn)石墨烯的三維生長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、高導電性、自支撐的三維石墨烯氣凝膠。

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1.1.2化學交聯(lián)法

化學交聯(lián)法是通過交聯(lián)劑引導石墨烯形成三維石墨烯水凝膠，再經(jīng)過冷凍干燥得到石墨烯氣凝膠。不過由于產(chǎn)物結構脆弱，還應再加入特定有機化合物增強產(chǎn)物結構。Li等人使用有機交聯(lián)劑制備出了具備高導電率、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

由二維石墨烯構建模塊組裝宏觀結構是集成或增強光學、電學和力學性能最可行、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的平面結構和豐富的含氧官能團有利于通過各種技術組裝成具有層次結構的宏觀架構。首先通過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，再進一步實現(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、小分子促進劑法和無交聯(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。小分子促進劑法可選擇小分子促進劑，通過靜電引力實現(xiàn)約束、綁定GO片層，完成GO片層組裝與凝膠化。無交聯(lián)劑法是指引入酸類，降低體系pH值，破壞靜電平衡實現(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，同時又保持三維網(wǎng)絡不被破壞，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構的方法，冷凍過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，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構，在軸向(冷凍方向)上具有高抗壓強度和良好的可壓縮性，可用于有機液體的吸收。

冷凍干燥是在不破壞三維石墨烯結構的情況下去除結構中分子的最方便、最有效的技術，是目前最常用的干燥技術。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，擴散速度快，很容易擴散到凝膠的孔隙中，從而提高干燥效率。凝膠干燥過程中毛細管壓力驅(qū)動的收縮可通過降低液體表面張力來減少，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構的損壞，提高了物理性能，如體積密度、力學性能、導熱系數(shù)和電導率等。

Cheng等人在最近的研究中通過水熱還原GO分散液和超臨界乙醇干燥，制備了楊氏模量、屈服強度等機械性能增強的石墨烯氣凝膠。但是超臨界干燥技術對設備要求較高，具有成本高昂等缺點。

常壓干燥技術可以在室溫和常壓條件下進行，具有成本低、易加工、無特殊設備要求、節(jié)能等優(yōu)點。然而，該法制備的石墨烯氣凝膠存在結構強度小、體積收縮嚴重和開裂等問題，其性能有待進一步提高。

氧化石墨烯氣凝膠亦可由誘導組裝法制得。誘導組裝法是使用外界的誘導因素，打破GO不穩(wěn)定的平衡體系，當體系再次平衡時就可能獲得石墨烯凝膠結構，經(jīng)過熱處理即可得到多孔結構的石墨烯氣凝膠。S.O.Kim、D.Li等人分別使用水滴和冰晶誘導了GO的組裝，得到了均勻大孔結構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，恢復共軛結構，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.石墨烯氣凝膠的應用研究進展

2.1傳感器

石墨烯材料具有高載流子遷移率、高力學強度等特性，通過調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級以獲得兩種載流子的雙極性行為，使石墨烯同時接收多種傳感信號。同時氣凝膠材料具有多孔結構，該結構對壓力十分敏感，其與碳納米管復合，可制得控制燈泡亮度的壓力開關。石墨烯也可以通過壓阻效應接受聲音頻率信號，準確區(qū)分不同長度的聲波，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致電導率改變。這些性能使得石墨烯氣凝膠在力學、聲學、光學、電化學、氣體等多個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。加州大學圣克魯茲分校和勞倫斯利弗莫爾國家實驗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了目前所有的電容器，并且在兩萬次的充電、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構及氣凝膠的高孔隙率、多吸附活性位點賦予了石墨烯氣凝膠極高的吸附效率，使其對多種有機物質(zhì)有較強的吸附能力。除吸附有機物質(zhì)和油類外，還可吸收染料廢水中的亞甲基藍。此外，石墨烯氣凝膠具有良好的疏水性、較大的比表面積、微米級和亞微米級的特殊孔結構，這些特質(zhì)利于氣體分子在其中迅速擴散，前文中提到的活性吸附點可與部分有害物質(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)被認為與其sp2石墨烯晶格和氣凝膠的3D多孔結構有關。Bi等研究超輕石墨烯氣凝膠后發(fā)現(xiàn)，其對電磁干擾的屏蔽效能增加了7.2分貝。

2.5催化領域

由于傳統(tǒng)陰極催化劑常為貴金屬，價格高昂而且穩(wěn)定性較差。而采用水熱法、濕化學法制備的CoMn2O4納米離子/氮磷雙摻的石墨烯氣凝膠和采用水熱反應、熱解法制備的Co1-xS/氮硫雙摻的石墨烯氣凝膠，價格、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、力學性能穩(wěn)定、電導率高等優(yōu)異特性賦予了石墨烯材料廣闊的應用前景。本文總結概述了目前常見的石墨烯氣凝膠制備方法及應用方向。盡管目前對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用領域的深入研究，石墨烯氣凝膠材料將會迎來更好的發(fā)展。