【摘 要】
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开发高传导强稳定质子交换膜是质子交换膜燃料电池领域的迫切需求。然而,受质子传导率与结构稳定性之间Trade-off效应制约,难以同时提升质子传导率和结构稳定性。此外,传统的Grotthuss和Vehicle机理与质子传递通道微环境间缺乏有效互动,制约高性能质子交换膜设计制备。本论文提出在分子水平调控膜微结构及相互作用,制备了高传导强稳定质子交换膜,协同提升质子传导率和结构稳定性并提出规整有序通道内
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开发高传导强稳定质子交换膜是质子交换膜燃料电池领域的迫切需求。然而,受质子传导率与结构稳定性之间Trade-off效应制约,难以同时提升质子传导率和结构稳定性。此外,传统的Grotthuss和Vehicle机理与质子传递通道微环境间缺乏有效互动,制约高性能质子交换膜设计制备。本论文提出在分子水平调控膜微结构及相互作用,制备了高传导强稳定质子交换膜,协同提升质子传导率和结构稳定性并提出规整有序通道内质子传递机理。主要研究成果如下:仿生络合制备高传导强稳定聚合物量子点膜。受自然界沙塔蠕虫分泌超级粘结剂络合作用启发,采用溶剂渗透络合方法将聚合物量子点（PQDs）和磺化聚醚醚酮（SPEEK）复合制备致密的聚合物量子点膜。SPEEK中的磺酸基团与PQDs的酰胺键静电络合作用赋予膜结构稳定性,机械强度提升4-5倍。PQDs中磷酸、磺酸等构筑连续的质子传递通道强化质子传递过程,在80℃,100%相对湿度条件下,质子传导率达到264 m S cm-1。调控边缘/面内相互作用制备高传导强稳定GO膜。设计制备磺化石墨烯量子点（SGQD）协同调控GO纳米片的边缘静电和面内π-π相互作用。采用三种吸电子基团调控SGQD与GO的边缘静电相互作用,提高GO膜的抗溶胀性能。同时,SGQD通过面内π-π相互作用组装在GO的sp~2区域构筑低能垒质子传递通道。在75℃,100%相对湿度条件下,GO膜的质子传导率可达到324 m S cm-1。从头设计制备高传导强稳定COF膜与传递机理研究。从头设计制备离子型共价有机框架（COF）膜,COF纳米片间的π-π相互作用提升了膜的结构稳定性,规整有序的通道强化质子传递过程。通过COF单体结构设计调控基团间距并研究质子离域传递机理。当磺酸基团间距缩短至1-1.4 nm时,质子离域传递特性显著增强,在90℃,100%相对湿度条件下的质子传导率达到1389 m S cm-1。调控多重相互作用制备高传导强稳定磷酸负载COF膜。设计制备磷酸负载的季铵共价有机框架（QACOF）膜。基于COF规整有序的孔道结构强化质子传递过程,磷酸与季铵基团间强静电相互作用、COF纳米片共价相互作用及层间π-π相互作用提升质子传导率稳定性和结构稳定性。三甲基季铵基团尺寸较小,对QACOF纳米片间π-π相互作用影响较弱,QACOF膜具有良好的结构定性。磷酸负载QACOF膜在200℃条件下,质子传导率可达到379 m S cm-1,并且显示出良好的传导率稳定性。
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