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功能膜作为多种电池系统(质子交换膜/直接甲醇燃料电池、全钒液流电池)的关键部件之一,一直是高分子材料科学、电化学、能源科学等领域的研究热点。目前在电池系统中应用最广泛的功能膜材料为Nafion系列全氟磺酸型功能膜,该类膜材料虽具有较好的化学稳定性和高质子传导率等优点,但也存在阻醇或阻钒性能差、成本高等缺点。为解决该问题,本论文从分子设计出发,分别合成了磺化杂蒽联苯聚芳醚酮(SPAEK)、磺化含双侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(SPPEK-dPs)和磺化含单侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(SPPEK-Ps)等多系列新型侧链型磺化杂环聚芳醚酮,研究了相应的功能膜材料性能。主要研究结果如下:(1)以磺化单体4,5-二(4-苯磺酸基)-2,3,6,7-四氮杂蒽-1,8-二酮(STAIK)及其同分异构体4,8-二(4-苯磺酸基)-2,3,6,7-四氮杂蒽-1,5-二酮(STATK)、4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ)和4,4-二氟二苯酮(DFB)为原料,通过亲核缩聚反应合成了新型磺化聚芳醚酮(SPAEK)。SPAEK-30聚合物的特性粘度可达2.52dLg-1,而其5%的热失重温度可达367 ℃,具备良好的热稳定性。考察了 SPAEK-30的质子传导性能,结果表明,该新型聚合物在95 ℃、湿度100%下质子传导率可达2.56 × 10-2 S cm-1。(2)以4-(3,5-二苯基-4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮(DHPZ-dP)、DHPZ和DFB为主要原料合成了一系列含双侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK-dP)聚合物,并采用浓硫酸对含双侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK-dP)进行磺化改性制备了一系列磺化含双侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(SPPEK-dPs)。采用红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)表征了 SPPEK-dPs的化学结构。SPPEK-dPs系列质子交换膜相关性能测试结果表明,SPPEK-dPs的离子交换容量(IEC)范围为0.99～1.81 mmol g-1;SPPEK-dP质子交换膜具有较好的机械性能、热性能、尺寸稳定性和耐氧化稳定性;SPPEK-dPs的质子传导率随着IEC值和测试温度的升高而升高,其中SPPEK-dP-55在95 ℃时质子传导率可达13.18×10-2 S cm-1;而SPPEK-dPs系列质子交换膜的常温甲醇渗透系数同样随着IEC值增加由1.2×10-8 cm2 s-1增加到1.09×10-7 cm2 s-1。在同样测试条件下SPPEK-dPs质子交换膜选择系数比Nafion 117膜要高5～7倍。(3)以SPPEK-dPs为膜材料,制备了钒电池用离子交换膜,并研究了其相关性能。结果表明,当IEC值从0.99 mmol-1增加到1.81 mmol g-1时,SPPEK-dPs离子交换膜的面电阻从1.09 Ω cm2减小到0.30 Ω cm2;SPPEK-dPs离子交换膜对不同价态的钒离子渗透性能不同,表现为对VO2+离子不渗,对V3+离子低渗,其对V3+的质量传递系数在1.01 ×10-5～3.88×1 0-5 cm min-1范围内。SPPEK-dPs离子交换膜化学稳定性测试结果表明,在VO2+溶液中浸泡60天后,SPPEK-dPs失重量均在5.3%以下,而拉伸强度均大于50 MPa。VRFB单电池性能测试结果表明,充放电电流密度为40 mA cm-2时,装载不同SPPEK-dPs功能膜材料的单电池能量效率介于83.2%～87.4%之间;SPPEK-dP-45在50%SOC状态下自放电时间可达278 h,远大于Nafion 115膜的90 h;同时测试了SPPEK-dP-45电池隔膜在充放电电流密度为60 mA cm-2时的长周期循环性能,其单电池库伦效率(CE)为98.8%,电压效率(VE)为84.5%,能量效率(EE)为83.5%。(4)合成了一系列含单侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(PPEK-Ps),并对其进行磺化改性制备了一系列磺化含单侧苯基杂萘联苯聚芳醚酮(SPPEK-Ps),研究了钒电池用SPPEK-Ps离子交换膜材料的相关性能。采用1H-NMR和FTIR对SPPEK-Ps的结构进行了表征。聚合物基本性能和稳定性测试结果表明,SPPEK-Ps具有较好的热性能、机械强度和化学稳定性。SPPEK-P-90和SPPEK-P-100离子交换膜的面电阻分别为0.75 Ω cm2和0.34 Ω cm2。钒离子渗透测试结果表明,SPPEK-Ps离子交换膜同样对VO2+不渗,对V3+低渗,其中SPPEK-P-90离子交换膜对V3+的质量传递系数仅为2.53× 10-5 cm min-1,比Nafion 115的9.0×104 cm min-1低一个数量级。单电池性能测试结果表明,在60 mA cm-2电流密度下,SPPEK-P-90离子交换膜表现出了与Nafion 115膜相当的性能,其中CE为98.5%,EE为83%。SPPEK-P-90电池隔膜在电流密度为60 mA cm-2的钒电池中可以有效运行100个循环以上。(5)研究了 SPPEK、SPPEK-P-70和SPPEK-dP-35这三种IEC值相近的磺化杂萘联苯聚芳醚酮膜材料的结构与性能相互关系。溶解性能对比表明,三种磺化聚合物均能溶解在常见制膜溶剂中,且溶解性能随着侧链数增加而提高。热失重性能对比表明,三种聚合物热稳定性相近。化学稳定性对比表明,SPPEK-P-70和SPPEK-dP-35化学稳定相近,且略优于SPPEK。功能膜材料基本性能研究结果表明,含(双)侧苯基的磺化聚芳醚酮离子交换膜面电阻较低而质子传导率较高。以上结果说明,磺酸基团位于侧链上能有效改善该类聚合物的溶解性、化学稳定性和质子传导性能。