目前,由于石油、天然气、煤炭等不可再生能源的短缺,开发新能源已成为世界各国的共识。氢气作为一种清洁、高效、可持续的新能源,应用于燃料电池技术可充分发挥其能量密度高、零污染、零碳排放的优点,有助于解决能源危机和环境污染问题。离子交换膜是燃料电池的关键部件之一,然而现有的商业化离子交换膜多是基于合成聚合物而制备的,其合成工艺复杂、生产成本高,同时难以降解易造成环境污染,这些缺点阻碍了其进一步发展应用。因此,本论文选用天然高分子材料纤维素作为膜基质,通过共混掺杂、染色改性、原位聚合等方式引入导电单元,利用交联、互穿等方式调节膜内微结构,研发了一系列绿色、高性能离子交换膜。主要研究内容如下:（1）以粘胶纤维素为膜基质,通过浇铸、凝固、拉伸、冷冻干燥等方法制备了基膜（PVMs）,然后用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵溶液（GTA）对膜进行阳离子改性,通过染色技术将活性染料KE-7B1接枝到基膜上,获得一系列染色粘胶纤维素基质子交换膜（DVMs）。通过FT-IR、SEM和XPS分析表明KE-7B1被成功引入粘胶基膜内。DVM-15的H+传导率最高,在室温下为14.31 m S·cm-1,在80 oC下达到44.19 m S·cm-1。甲醇渗透测试结果显示DVM-15的甲醇渗透率为1.09×10-7cm~2·s-1,表明其具有较好的阻醇性。AFM分析表明,DVM-15比PVM具有更连续的亲水通道,这有利于提高膜的质子传导率。在聚乙烯醇（PVA）的支撑增强作用下,制备的PDVM膜的断裂强度最大达到42.12 MPa。同时,PVM和DVM-15在30 wt%过氧化氢的强氧化条件下持续120 h后失重率均小于10%,表现出良好的耐氧化特性。单电池发电研究表明,DVM-15在电流密度为179.89 m A·cm-2时峰值功率密度达到62.96 m W·cm-2,远高于未改性PVM的6.11 m W·cm-2。（2）以具有高孔隙率的细菌纤维素（BC）为膜基质,通过原位聚合反应在BC膜内引入聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）制备了一系列阴离子交换复合膜。其中,BC-PDDA-45表现出优良的OH-电导率,在室温下为64.37 m S·cm-1,在80 oC时达到112.14 m S·cm-1。FT-IR和XPS分析表明,DDA在膜内成功原位聚合,与纤维素大分子链形成多种作用力,并能稳定驻留于BC膜内。通过SEM图像表明随着PDDA聚合度的增加,大分子缠绕增加,膜的内部变得更加致密。水接触角分析表明制备的阴离子交换膜其表面的亲水性随着PDDA聚合度的增加而降低,有效地控制了膜内水含量,有利于离子的跳跃传输。热重分析结果表明BC-PDDA-45具有良好的热稳定性,其最大降解温度为278 oC。通过在30 wt%过氧化氢的强氧化条件下测试膜的氧化稳定性,结果表明在浸泡120 h后,膜的质量仍然保留在80%以上,表现出良好的耐氧化性。膜的机械性能分析结果表明PDDA能够有效提高BC膜的断裂伸长率,增加膜的柔韧性。（3）以细菌纤维素为基质,引入带有磺酸基团的活性染料KE-7B1,构建高效的三维质子传输通道,提高膜的质子传导率。染色之前用DDA原位聚合达到阳离子改性的目的,以降低染色过程中纤维素阴离子与染料阴离子之间的静电斥力,从而提高上染率。膜的化学结构测试结果表明KE-7B1被成功地引入到细菌纤维素膜内。DBC-PDDA-30膜在室温下的电导率达到25.26 m S·cm-1,在80 oC时达54.96m S·cm-1,表明与粘胶膜相比,细菌纤维素的多孔结构有利于接枝更多的离子导电基团。热重分析结果表明DBC-PDDA系列膜在200 oC以内均具备良好的稳定性,满足实际应用时的温度要求。膜具备良好的机械性能,其中DBC-PDDA-30膜的断裂强度达到31.45 MPa,断裂延长率为6%。DBC-PDDA-30膜组装的膜电极在电流密度为209.13 m A·cm-2时,峰值功率密度达到107.46 m W·cm-2。