炭气凝胶是一种具有独特三维纳米网络结构的轻质纳米中孔炭材料，在能源、环保、催化等领域具有广泛的应用前景。但迄今为止，绝大多数炭气凝胶的制备仍旧采用CO2超临界干燥法。该法制备周期很长，交换和超临界干燥过程中消耗大量的液态CO2，导致炭气凝胶生产效率低、成本高，严重制约了炭气凝胶的应用。因此，探索新的制备原理，改进制备方法是炭气凝胶研究能否取得实质性突破的关键所在。围绕炭气凝胶制备方法的改进和创新，本论文紧紧抓住(1)原料选择与纳米结构控制，和(2)干燥原理与纳米结构控制这两个关键问题，从超临界干燥工艺改进开始，逐步深入地发展了有机溶剂交换—超临界干燥方法、直接有机溶剂超临界干燥方法、有机溶剂常压干燥方法，最后通过微乳液模板调控溶胶—凝胶聚合反应(MTSGP)这一合成有机凝胶的新方法，发展了绿色环保、工艺简便、所得气凝胶结构性能优良的水溶剂常压干燥方法。本论文采用SEM、TEM、N2吸附仪、表面张力仪、SAXS、XRD、万能电子试验机、压汞仪、FTIR、TG和拉曼光谱仪等现代分析手段对系列新制备方法的原理，材料的纳米结构控制进行了深入的研究，并采用IGA和电化学工作站等现代分析手段对炭气凝胶在吸附和储电方面的应用进行了初步探索，得到如下研究成果： 1.炭气凝胶的有机溶剂超临界干燥制备法的改进和优化 利用适量NaOH作为催化剂，提高了苯酚的反应活性和苯酚—甲醛(PF)齐聚物的水溶性，从而实现了PF水相凝胶化反应，得到PF凝胶，并经水—乙醇交换和乙醇超临界干燥得到PF气凝胶和炭气凝胶；PF水相凝胶化反应速率和气凝胶的密度可通过PF含量、凝胶化温度、P与NaOH摩尔比(P/NaOH)和P与F摩尔比(P/F)等制备条件进行调控；PF气凝胶和炭气凝胶具有典型的三维纳米网络结构。 有机相凝胶化反应通常采用酸性催化剂，导致因糠醛(F)自聚而引起残单率高且生成的有机凝胶交联度低。为此，本论文提出两个解决方案：(1)利用较易溶解NaOH的乙醇代替通常的异丙醇作为反应场所和超临界干燥介质，从而成功地利用无机碱性催化剂实现了有机相凝胶化反应。(2)根据凝胶化反应在有机溶剂中进行的特点，提出了使用有机碱性催化剂的思路，实验发现六次甲基四胺(HMTA)可作为优良的有机碱性催化剂。研究结果表明，间苯二酚—糠醛(RF)气凝胶和炭气凝胶的有机相凝胶化反应可以通过有机碱性化合物或无机碱性化合物进行催化；RF有机相碱催化凝胶化反应速率和气凝胶密度与催化剂种类、催化剂含量、RE含量和R与F摩尔比(R/F)密切相关；RF气凝胶的炭化过程经历四个阶段；无机碱性催化剂制得的气凝胶的三维纳米网络结构的中孔特性略好于有机碱性催化剂；炭气凝胶的网络炭骨架具有类石墨微晶结构，且微晶长度基本上与碱性催化剂种类无关。 提出“双催化法”，即利用NaOH和HCl依次作为苯酚(P)和糠醛(F)有机相溶胶化反应和凝胶化反应的催化剂，实现了低反应活性的苯酚和糠醛在有机溶剂中发生凝胶化聚合反应生成PF凝胶，并进而通过有机溶剂超临界干燥工艺合成了PF气凝胶和炭气凝胶。实验结果表明，PF气凝胶和炭气凝胶的结构性质与PF溶胶交联度密切相关。随着NaOH催化时间的延长，即PF溶胶交联度的提高，(1)PF气凝胶和炭气凝胶的得率显著增大，密度也相应地增大；(2)PF气凝胶的网络颗粒粒径减小，有利于均匀中孔结构的形成，控制合适的NaOH催化时间，炭气凝胶能够很好地保持其PF气凝胶前驱体的中孔结构；(3)炭气凝胶的类石墨微晶长度轻微下降。 2.炭气凝胶的有机溶剂常压干燥法制备 研究发现六次甲基四胺(HMTA)具有碱性催化作用和交联作用，利用这一原理调控间苯二酚—糠醛(RF)有机相凝胶化过程，实现了RF气凝胶和炭气凝胶的有机溶剂常压干燥法制备。研究表明，气凝胶的有机溶剂常压干燥法制备的合成机理在于HMTA的交联能力可以提高网络骨架强度并通过增大孔径而降低毛细张力；生成的RF气凝胶和炭气凝胶具有三维纳米网络结构，网络骨架分别由多股高分子链束构成，网络颗粒粒径随R与HMTA摩尔比(R/HMTA)的减小而增大；控制合适的制备条件，炭气凝胶的密度可低至0.21g/cm3、BET比表面积可高达680m2/g；炭气凝胶的炭骨架具有类石墨微晶结构，微晶长度随着R/HMTA的增大而增大。 3.炭气凝胶的水溶剂常压干燥法制备 研究发现表面活性剂可以和间苯二酚—甲醛(RF)齐聚物在水溶剂中形成微乳液。利用这个原理，提出了一种合成RF凝胶的新方法，即微乳液模板调控溶胶—凝胶聚合反应(MTSGP)法。表面活性剂浓度可以控制微乳液纳米反应器的空间尺寸，从而调控了RF溶胶尺寸以及生成的RF凝胶的三维纳米网络结构。MTSGP法的凝胶化反应速率主要取决于凝胶化温度、反应物浓度、反应物配比。控制合成条件，MTSGP法合成的RF凝胶可以在常压条件下直接进行干燥而不发生明显的骨架塌陷，径向常压干燥收缩率可以低至5％。研究表明，常压干燥收缩率主要取决于RF凝胶的网络强度和孔径。炭气凝胶的BET比表面积和中孔体积分别高达620m2/g和1.14cm3/g。CO2活化可以进一步提高炭气凝胶的微孔、中孔的比表面积和体积。炭气凝胶的炭骨架具有类石墨微晶结构，微晶长度随着表面活性剂浓度的增大而略微增大。 4.炭气凝胶用作吸附材料和超级电容器电极材料的初步探索 系统地研究了有机气凝胶、炭气凝胶和活性炭气凝胶的吸附容量、吸附动力学、再生性能。结果表明，炭气凝胶具有优良的吸附性能，高于市售的活性炭纤维，其原因在于具有多孔炭材料通常的微孔填充吸附外，还具有独特的中孔凝聚吸附。有机气凝胶的有机蒸汽静态饱和吸附量比炭气凝胶还高，但对低相对压力的有机蒸汽的吸附量小于炭气凝胶；有机气凝胶的吸附作用可归于纳米高聚物颗粒的溶胀吸收和中孔凝聚。活化可进一步优化炭气凝胶的吸附性能，得到的活性炭气凝胶的有机蒸汽吸附量可3倍于表面积相当的活性炭纤维。有机气凝胶、炭气凝胶和活性炭气凝胶均具有优异的脱附和再生性能。活性炭气凝胶还具有出色的吸附动力学性能。 炭气凝胶具有优良的电化学性能，电双层比电容量和高扫描速度或测试频率下的质量比电容量高于日本进口的超级电容器用超级活性炭，原因在于高的导电率和孔隙利用率。合适的活化可以进一步提高炭气凝胶的质量比电容量且不会损害其导电性能，但由于孔隙利用率下降，其电双层比电容量下降。