石墨烯气凝胶,由石墨烯片层经自组装而来的具有三维连续多孔网络的宏观材料,不仅具有传统气凝胶材料的低密度、高比表面积、高孔隙率等特点,还具有石墨烯自身独特的理化性质:优异的机械性能和高导电/热性能等,在能源储存、催化及传感器等领域有巨大的应用前景。本论文阐述了石墨烯气凝胶中石墨烯片层及多孔结构的有序调控、各向异性石墨烯气凝胶的可控制备及其性能与应用的研究。以Hummers方法制备得到的氧化石墨烯液晶为前驱体,提出并通过“固态氢键网络”的溶胶-凝胶机理,实现了石墨烯的三维有序液固相转变,进一步合成了一系列结构可控的各向异性石墨烯气凝胶,并对这些气凝胶的理化及应用性能进行了详细分析。具体内容包括:(1)、在氧化石墨烯液晶中,以气相扩散方式引入氢键促进剂,“原位冻结”液晶中的动态氢键网络,实现氧化石墨烯液晶的均匀溶胶-凝胶化,完成氧化石墨烯液晶与三维宏观体材料的液固转变,成功调控氧化石墨烯片层在水/气凝胶中的有序排列,并获得具有整齐三维多孔网络结构的氧化石墨烯气凝胶,提出“固态氢键网络”凝胶机理,利用红外光谱、POM、氮气吸脱附、SEM、TEM、XRD、Raman及单向压缩等实验研究了氧化石墨烯片层及其三维多孔结构的有序液-固相转变,直接或间接的证明了氧化石墨烯新型的凝胶机理及(氧化)石墨烯片层在水/气凝胶中的有序排列。(2)、在氧化石墨烯液晶均匀凝胶的基础上,我们引入“原位还原”的策略,设计并制备得到具有不同外在形状及规整三维多孔网络(规整的孔壁/孔道)的各向异性石墨烯气凝胶,实现对石墨烯气凝胶中片层与孔结构的有序调控,极大的优化了石墨烯气凝胶的性质。通过SEM、TEM、XRD、Raman等研究了各向异性石墨烯气凝胶的三维有序多孔网络结构(规整的孔壁/孔道)及石墨烯片层的有序排列。通过定向压缩分析、激光热导仪及四探针测试,研究了该石墨烯气凝胶性能(机械形变行为、热/电导率)的各向异性,并提出相应的形变、热传导模型,明晰各向异性石墨烯三维多孔结构的性能。其中,轴向方向的热导率高达1.9 W/mK,为径向热导率的8-11倍;轴向电导率高达345 S/m,为径向电导率的3-5倍。此外,获得石墨烯气凝胶还表现出快速电-热、光-热响应效应,辅以其规整有序的微观结构,在多功能分子加热器方面应具有良好的应用前景。(3)、以各向异性石墨烯气凝胶为支架材料,经过浸渍填充获得性能优异的相变复合材料。该相变复合材料具有各向异性的电/热导率、高的相变焓、高的取向结晶度及良好的循环使用稳定性与形状稳定性;可通过电驱动或光驱动方式进行热能转换与存储。利用SEM与XRD分析证明相变复合材料具有规整有序的石墨烯气凝胶骨骼网络及高度取向结晶的石蜡(一部分包覆在石墨烯气凝胶孔壁,一部分以片晶形式嵌立在孔道中);通过LFA、TG、DSC分析了石墨烯气凝胶相变复合材料的热导率、相变行为、填充量及相变焓与循环使用稳定性等,间接反映出相变复合材料具有高的取向结晶度,进而使得相变复合材料保持了石蜡的高相变焓;通过热台加热对比实验证明其具有良好的形状稳定性。针对支架材料的各向异性,我们设计并加工制备得到不同的能源系统以适合不同的热能存储方式:利用规整孔壁/孔道内良好的电/热传输结构设计出圆柱形能源器件,在实现高效、快速热能存储同时,可有效避免横向热量损失;利用平坦的孔壁结构充分展现出石墨烯二维平面的优势,设计出矩形能源器件,提供足够的光接收面积,实现光-热高效转换与存储。