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质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度低、启动速度快、能量密度高,具有广泛的应用前景。其中,作为隔离燃料与氧化剂的阻隔材料和质子的传输通道,质子交换膜(PEM)是制约PEMFC性能的关键部件之一。目前,PEM的质子电导率严重依赖水含量,低湿电性能急剧下降,严重制约了PEMFC的工业化发展。为改善PEM的低湿性能,本文采用Pt-LDHs自增湿薄膜法和低沸点小分子诱导自组装两种方法优化PEM的微观结构,构建了尺度宽且连通的高效质子传递通道(PCCs),制备低湿度下质子电导率高、机械稳定性好、阻气性强的高性能质子交换膜。超薄质子交换膜有电阻低、水传质阻力小的优势,但存在高电密区域补水需求大、气体渗透高、机械性能差等问题。通过化学气相沉积法成功的将Pt担载于剥离态的LDHs单片层,以实现超薄复合膜的增湿、阻气、增强。选用二维片层结构的LDHs(水滑石),采用化学气相沉积法(CVD)担载Pt,得到剥离态Pt-LDHs纳米片层。Pt以化学吸附形式担载于LDHs片层表面,保证了Pt的稳定性。Pt的化学吸附密度随还原反应的进行逐步降低。综合考虑LDHs剥离、Pt均匀分散和Pt稳定性,选择还原时间为16h。Pt以纳米尺度均匀分散,粒径为2-4nm。高稳定性Pt-LDHs自增湿催化剂的可控制备为自增湿型超薄复合膜的制备奠定了基础。将上述二维纳米结构的Pt-LDHs与Nafion掺杂制备Nafion/Pt-LDHs自增湿型超薄复合膜,大幅降低质子交换膜的低湿膜电阻,并解决了超薄膜的高电密区域增湿困难、气体渗透高等难题,显著提高低湿电池性能。为得到厚度均一的超薄复合膜,选择铸膜液浓度为20wt%以doctor-blade设备刮膜,Pt-LDHs添加量为1wt%,得到8.9μm的Nafion/Pt-LDHs超薄复合膜。Pt-LDHs在Nafion膜中实现纳米级均匀分布,无团聚发生。该超薄复合膜自增湿效果显著,阻气性能优异(氢气渗透为同厚度原膜的1/5、且低于Nafion211),机械性能大幅提高。干气测试时,Nafion/Pt-LDHs复合膜的最大输出功率密度为1174mWcm-2,是商业化Nafion211的3倍,是一种高效的自增湿型超薄质子交换膜。采用自组装方法提高Nafion膜低湿性能。质子电导率与PCCs的形貌密切相关。低湿状态PCCs死端多、连通性差,质子电导率低。为改善Nafion膜的低湿PCCs,选用低沸点的两亲性小分子3,4-二甲基苯甲醛(DMBA),通过分子模拟揭示DMBA以氢键和疏水作用诱导Nafion自组装,成功构建不同尺度的PCCs,建立PCCs-电导率的定量关联模型。分子模拟研究表明,DMBA与Nafion间的氢键和强疏水作用增强了Nafion的链段活动性,有利于形成高效离子簇结构。据此自组装理论设计制备不同尺度的质子传递通道,构建质子传递通道宽度与质子电导率的定量模型。表明当质子传递通道宽度从1.72增加到5.15nm时,电导率从0.068S cm-1增加至0.139S cm-1(80℃)。该膜机械性能和亲水性改善,低湿电导率(RH=40%)提高34%。干气测试的最大功率密度为1018mW cm-2,较原膜提高39%。进一步研究低沸点小分子的诱导自组装机理,并首次将其拓展至成本低、阻气性好的非氟质子交换膜领域。非氟膜亲疏水性差异小、链段活动性差,质子传递通道狭窄,死端多,低湿电导率远低于Nafion,亟需改善。提出采用两亲性小分子自组装诱导剂促进SPEEK自组装,揭示小分子醇类与SPEEK间的多重氢键和疏水作用诱导自组装机理,提出分子长度与SPEEK亲疏水基团间距(5A)匹配的n-BuOH可显著改善SPEEK的低湿性能。分子模拟研究表明,系列两亲性醇类诱导剂均与SPEEK存在多重氢键和疏水作用。其中,n-BuOH分子长度(5.006A)与SPEEK亲疏水基团间距(磺酸基团氢原子与苯环距离,5A)匹配,诱导作用最为显著。该膜质子传递通道由1nm增至3nm,湿态电导率达0.314S cm-1,高于SPEEK改性膜的文献报道值。低湿电导率(RH=40%)为原膜的25倍,较Nafion提高28%,显著提高了SPEEK的低湿性能。