石墨烯被誉为21世纪的“新材料之王”，石墨烯新材料产业是我国大力支持的产业、也是山东省新旧动能转换重大工程确定的“十强产业”之一，石墨烯气凝胶是石墨烯经化学或物理交联组装而成的具有三维多孔结构的轻质材料，具有密度小、孔隙率高、高导电、高压缩回弹性、极端环境稳定、光热转换效率高等特性，因此可作为吸附材料、缓冲材料、能源转换材料、隔热材料、吸音材料、催化剂载体等在环境、军工、化工、传感等领域具有重要的应用前景。目前，在世界范围内，石墨烯气凝胶产业化还处在起步阶段，本项目团队所掌握的产业化关键技术处于国际领先水平。本项目的目标是组建一套石墨烯气凝胶的连续化生产设备。

图 石墨烯气凝胶特性：高压缩、快回弹、高导电、高吸油、绿色制备、阻燃隔热、吸波、光热转化、吸附过滤

本项目的研究内容属于石墨烯产业链中的重要一环，本项目的成功实施，将有力促进石墨烯产业链的形成，为石墨烯材料的应用提供出口，使石墨烯的优异特性得到发挥，培养形成市场经济新的增长点。并且石墨烯气凝胶在缓冲减震、电磁屏蔽、阻燃隔热、海水淡化、水处理及可穿戴产品等领域的应用，也将为优势特色产业的发展提供支撑和促进。

本项目拟重点解决以下两个问题：

开发石墨烯气凝胶的连续化生产装备，为实现石墨烯气凝胶的连续化批量生产，本团队已设计了首套石墨烯气凝胶的全自动生产装置，目前该装置的整体设计已完成，期望利用该装置，可实现石墨烯气凝胶的全自动生产，同时能够提高石墨烯气凝胶的质量稳定性。本项目将在前期工作的基础上，根据设计，搭建石墨烯气凝胶的连续化生产装备，并实现其高效运行。

开展石墨烯气凝胶的应用研究，根据石墨烯气凝胶所具有的特殊功能，锁定其应用领域，并通过与企业合作开发能有效利用石墨烯气凝胶优异性能的产品。目前可预见的应用领域有极端环境下缓冲减震、电磁屏蔽、污水吸附分离、光热海水淡化、空气净化、智能传感等。

该项目是在青岛科技大学高分子学院张建明课题组自主研发的石墨烯气凝胶产业化关键技术基础上提出的拟进行成果转化的新项目。课题组相关的前期工作基础如下：

（1）具有自主知识产权的石墨烯气凝胶制备技术。

石墨烯气凝胶制备过程中通常需要运用超临界干燥或冷冻干燥技术，存在成本高、高能耗等缺点，制约了石墨烯气凝胶的工业化生产和应用推广。本团队于2015率先实现了石墨烯气凝胶的常压干燥制备，相关技术已获发明专利授权（一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，授权专利号：ZL201510121119.9）并发表了高水平论文（J. Mater. Chem. A, 2015, 19268-19272.）。

该技术在世界范围内属于首创，具有工艺简单、设备要求低、能耗低、可大规模生产等优点，得到了国内外同行的认可。2017年青岛市权威技术成果评价机构对本团队的“常压干燥法制备多功能石墨烯气凝胶”系列技术进行了评价，结果如下：该成果技术成熟度为6级，技术创新度为4级，技术先进度为7级，建议该成果整体水平达到国际领先水平。在此基础上，本团队进一步对石墨烯气凝胶的制备进行优化，并对其进行改性研究。于2017年发明了简易、更加适合大规模工业化生产石墨烯气凝胶的绿色发泡技术（一种各向同性超弹性石墨烯气凝胶的制备方法，授权专利号：ZL201611025874.8），并随后发表了高水平学术论文（ACS applied materials & interfaces , 2019, 1303-1310；ACS applied materials & interfaces, 2020, 12, 1, 1378-1386.）。

（2）开发一系列石墨烯气凝胶的结构调控和改性技术

开发一系列石墨烯气凝胶的结构调控和改性技术并制备出了多种功能性石墨烯气凝胶。开展了采用生物基纳米材料调控石墨烯气凝胶微结构和亲疏水性能的研究，获得了强度可控且具有双亲性、大比表面积的石墨烯气凝胶（一种强度可控双亲性石墨烯气凝胶及其制备方法，授权发明专利号：ZL201610566686.X），解决了纯石墨烯气凝胶强疏水性，模量低的问题，拓展了其应用范围，此类气凝胶在水处理领域具有极大的应用潜力；为进一步提高石墨烯气凝胶的持久耐用性，本团队开发了韧性石墨烯气凝胶，有效避免了前期石墨烯气凝胶撕裂性能差的现象（一种石墨烯/天然胶乳复合气凝胶及其制备方法，授权发明专利号ZL201811063392.0）。

（3）设计了首套石墨烯气凝胶的全自动生产装置。

为实现石墨烯气凝胶的连续化批量生产，本团队设计了石墨烯气凝胶的全自动生产装置，目前该装置的整体设计已完成，相关的发明已申请专利（专利申请号：2018115716421）。该装置的设计，可实现石墨烯气凝胶的全自动生产，同时能够提高石墨烯气凝胶质量稳定性。

对石墨烯气胶的应用进行了前期探索，主要考察、评价了所制备石墨烯气凝胶在缓冲减震、阻燃隔热、电磁屏蔽、污水处理、海水淡化、可穿戴产品等领域的应用可能，发现其在上述领域的应用具有非常强的可行性。

前期研究成果如下：

已授权发明专利

1) 一种常压干燥制备石墨烯气凝胶的方法，专利号：ZL201510121119.9。

2) 一种强度可控双亲性石墨烯气凝胶及其制备方法，专利号：ZL201610566686.X。

3) 一种各向同性超弹性石墨烯气凝胶的制备方法， 专利号：ZL201611025874.8。

4）一种石墨烯与ZIF-8复合气凝胶及其制备方法，专利号; ZL201710091901X

5) 一种石墨烯/天然胶乳复合气凝胶及其制备方法、应用，专利号; ZL 201811063392.0

6）一种氧化石墨烯气凝胶、还原氧化石墨烯气凝胶及其制备方法和应用 专利号; ZL 201811045691.1

已发表学术论文：

1) Xiaofang Zhang, Guohui Yang, Lu Zong, Min Jiang, Zhongqian Song, Cheng Ma, Tongping Zhang, Yongxin Duan*, Jianming Zhang*, “Tough, Ultralight, and Water-Adhesive Graphene/Natural Rubber Latex Hybrid Aerogel with Sandwichlike Cell Wall and Biomimetic Rose-Petal-Like Surface”, ACS applied materials & interfaces, 2020, 12, 1, 1378-1386.

2) Xiaofang Zhang, Tongping, Zhi Wang, Zhongjie Ren, Shouke Yan, Yongxin Duan* and Jianming Zhang*."Ultralight, Superelastic and Fatigue Resistant Graphene Aerogel Templated by Graphene Oxide Liquid Crystal Stabilized Air Bubbles." ACS applied materials & interfaces, 2019, 1303-1310.  

3) Min Jiang,* Houzhi Li, Lijuan Zhou, Ruofei Xing, and Jianming Zhang*,Hierarchically Porous Graphene/ZIF‑8 Hybrid Aerogel: Preparation, CO2 Uptake Capacity, and Mechanical Property. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 827.

4) Xiaofang Zhang, Ping Liu, Yongxin Duan, Min Jiang* and Jianming Zhang*.Graphene/cellulose nanocrystals hybrid aerogel with tunable mechanical strength and hydrophilicity fabricated by ambient pressure drying technique. RSC Advances, 2017, 7 1646,7-16473

5) Hongsheng Yang, Tongping Zhang, Min Jiang, Yongxin Duan and Jianming Zhang*, Ambient Pressure Dried Graphene Aerogels with Superelasticity and Multifunctionality. J. Mater. Chem. A 2015,19268-19272.

项目计划：

（1）2021年完成石墨烯气凝胶自动化中试装置的搭建，实现日产1-2立方米气凝胶的产量。与缓冲减震材料、污水处理、智能家居等相关公司合作，联合进行石墨烯气凝胶的应用研究，将该材料在具体产品中进行实际应用的探索。

（2）2022年完成石墨烯气凝胶工业化装置的定型，实现日产10-100立方米或10-100千克的产量。开发1到2项可以体现石墨烯气凝胶材料独特性质的实际产品，进行产品市场推广。