本书聚焦材料科学前沿，概述了水凝胶基础特性和面临的性能瓶颈，详述了主要碳基材料的特性、制备及其功能优势。以四类典型碳材料为主线，系统解析其与水凝胶复合的设计策略、制备工艺、性能优化机制及其在生物医学、环境修复、柔性电子、能源存储等领域的多样化应用场景。精选实验案例，从结构-性能关联角度剖析设计逻辑。总结了当前研究现状，识别挑战，并展望未来发展方向与突破路径。
本书兼具学术深度与实践价值，既涵盖基础理论与前沿进展，又注重案例分析与优化策略，旨在为材料科学、化学化工、环境工程及生物医学等交叉学科的研究人员、高校师生和企业研发人员提供全面的理论参考与技术指导，推动碳基复合水凝胶从基础研究向实际应用的加速转化。

在新材料蓬勃发展的时代背景下，碳基复合水凝胶正成为连接基础研究与高端应用的重要桥梁。本书系统整合水凝胶与碳材料两大功能体系，深入剖析其复合机制与性能调控原理，全面呈现在生物医学、柔性传感、环境治理与储能器件中的创新应用。
书中既有对基础理论的清晰梳理，也有对典型工艺与实验案例的深度解读；既总结了当前研究进展，也提出了未来发展的关键路径。内容翔实、结构严谨、视野开阔，体现了较强的学术前瞻性与工程实用性。

王向鹏，男，1989年8月生，山东石油化工学院教师，在读博士，副教授，主要从事高分子功能材料改性、水凝胶合成及高分子复合材料制备等方面的教科研工作。主持并参与8项省部级、厅局级教科研项目。获中国石油和化学工业联合会技术发明奖三等奖1项。在国内外学术期刊发表论文20余篇，其中SCI、EI收录10篇；授权发明专利2项。

第一章水凝胶简介(1)
1.1水凝胶概述(1)
1.2水凝胶性能分析(3)
1.2.1物理性能(3)
1.2.2化学性能(5)
1.2.3生物性能(6)
1.2.4功能化性能(7)
1.3性能优化方向(8)
1.4挑战与未来展望(9)
参考文献(10)
第二章碳基材料概述(14)
2.1生物炭(15)
2.1.1制备方法(16)
2.1.2结构特性(22)
2.1.3应用领域(23)
2.2氧化石墨烯(28)
2.2.1制备方法(29)
2.2.2结构特性(33)
2.2.3应用领域(34)
2.3碳纳米管(38)
2.3.1制备方法(38)
2.3.2结构特性(43)
2.3.3应用领域(45)
2.4碳量子点(48)
2.4.1制备方法(49)
2.4.2结构特性(54)
2.4.3应用领域(55)
参考文献(62)
第三章生物炭复合水凝胶(69)
3.1生物炭的特性及其作为改性剂的优势(69)
3.2生物炭复合水凝胶的制备方法(70)
3.2.1物理复合(70)
3.2.2化学复合(72)
3.2.3其他前沿制备技术(75)
3.3生物炭复合水凝胶的结构特点(78)
3.4生物炭复合水凝胶的应用(79)
3.4.1环境修复与污染治理(79)
3.4.2农业资源利用(80)
3.4.3能源存储与催化(81)
3.4.4生物医学(82)
3.4.5智能传感材料(84)
参考文献(86)
第四章碳纳米管复合水凝胶(90)
4.1碳纳米管作为水凝胶改性剂的核心优势(91)
4.2碳纳米管复合水凝胶的制备方法(92)
4.2.1物理共混法(92)
4.2.2原位聚合法(93)
4.2.3冻融循环法(94)
4.2.4自组装法(95)
4.2.53D打印/定向组装法(97)
4.3碳纳米管复合水凝胶的结构特点(98)
4.4碳纳米管复合水凝胶的应用领域(100)
4.4.1生物医学领域(100)
4.4.2柔性电子领域(101)
4.4.3环境工程领域(103)
4.4.4能源领域(104)
4.4.5工业制造领域(105)
4.4.6新兴前沿领域(106)
参考文献(107)
第五章氧化石墨烯复合水凝胶(111)
5.1氧化石墨烯结构特性及作为水凝胶改性剂的特点(111)
5.1.1氧化石墨烯结构特性(111)
5.1.2氧化石墨烯作为水凝胶改性剂的特点(112)
5.2氧化石墨烯改性水凝胶制备方法(112)
5.2.1原位聚合法(112)
5.2.2一锅法(113)
5.2.3自组装法(115)
5.2.4其他聚合方法(116)
5.3氧化石墨烯对水凝胶结构与性能的影响(117)
5.3.1氧化石墨烯对水凝胶结构的影响(117)
5.3.2氧化石墨烯对水凝胶性能的影响(118)
5.4GO改性水凝胶的应用(122)
5.4.1工业废水处理(122)
5.4.2缓解热岛效应(123)
5.4.3柔性器件及医用材料(123)
5.5结语(125)
参考文献(126)
第六章碳量子点复合水凝胶(135)
6.1碳量子点结构特性及表面修饰(136)
6.2CDH制备方法(137)
6.2.1碳量子点共聚法(137)
6.2.2碳量子点交联法(139)
6.2.3碳量子点浸渍包埋法(139)
6.3碳量子点复合水凝胶的性能及应用(140)
6.3.1碳量子点对水凝胶性能的影响(140)
6.3.2CDs复合水凝胶应用(144)
6.4结语(150)
参考文献(150)
第七章碳基材料复合水凝胶的结构-性能关联研究实例(157)
7.1氧化石墨烯复合水凝胶的制备及溶胀性能(157)
7.1.1GO改性P(AA-AM)复合水凝胶的制备及聚合条件优化(157)
7.1.2GO改性P(AA-AM)复合水凝胶的吸水溶胀性能(159)
7.2氧化石墨烯复合水凝胶吸附剂的制备及性能(162)
7.2.1氧化石墨烯复合水凝胶吸附剂的制备及结构表征(162)
7.2.2氧化石墨烯用量对水凝胶力学性能、吸水性和吸附性能的影响
(165)
7.2.3P(AA-AMPS)/SA-GO的溶胀特性(166)
7.2.4P(AA-AMPS)/SA-GO的吸附性能(167)
7.3生物炭复合水凝胶吸附剂的制备及性能(173)
7.3.1生物炭复合水凝胶的制备及结构表征分析(173)
7.3.2生物炭用量对复合水凝胶吸附性能的影响(177)
7.3.3吸附性能分析(177)
7.3.4吸附等温线(180)
7.3.5吸附动力学(181)
7.3.6吸附热力学(183)
7.3.7机理分析(183)
参考文献(185)
第八章总结与展望(186)
8.1当前研究存在的关键挑战(186)
8.2未来发展方向与重点突破路径(187)
8.2.1构建基础研究新范式(187)
8.2.2工程技术的革命性突破(188)
8.2.3学科交叉催生的颠覆性应用(189)
8.2.4产业生态系统的重构(190)
附录(191)