甲醇燃料电池具备低温快速启动、高效清洁环保等特性,有望成为未来移动和便携设备应用的主流。质子交换膜材料作为甲醇燃料电池的核心组成部分,起到传递质子和隔离燃料的双重作用。理想的质子交换膜应该同时具备优异的热稳定性和力学性能,高的质子电导率和低的甲醇渗透等性能。商业化的质子交换膜为全氟磺酸膜,以Dupont公司生产的Nafion膜为代表,因其具有高的质子传导性和优异的化学稳定性而受到广泛关注。然而,由于其复杂的合成工艺,高的制作成本以及高的甲醇渗透性限制了它的广泛应用。目前科学家已研究出具有高热稳定性和高力学强度的磺化芳香族聚合物,其质子电导率可与Nafion膜媲美,被认为是最有潜力替代Nafion膜的材料之一。聚芳醚腈（PEN）作为芳香族聚合物的一员,因其优异的高热稳定性和力学性能而被人们熟知。将磺酸基团引入PEN中可以赋予PEN一定的质子导电性,根据这一特性探讨其作为质子交换膜应用的可能性。基于此,本论文通过聚合物分子结构设计合成了一系列磺化聚芳醚腈（SPEN）,并研究了碳纳米材料对磺化聚芳醚腈的结构与性能的影响。具体的研究内容如下:1、从分子结构出发,在PEN主链上引入磺酸基团,研究其作为质子交换膜的应用。通过调节不同二元酚单体的结构和磺酸的含量,合成了一系列不同结构、不同磺酸含量的SPEN,采用流延成膜法制备了SPEN薄膜并研究了作为质子交换膜的基本性能。研究发现联苯型的SPEN具有高的热稳定性、拉伸强度和模量,同时当磺酸单体与二元酚单体的摩尔比例为7:3时,SPEN膜具有良好的质子传导性。2、利用酰氯法制备得到了磺化碳纳米管（S-CNTs）纳米填料,并将其分散在SPEN基体中,制备了一系列不同含量的S-CNTs/SPEN复合膜。实验发现随着填料含量的增加,复合膜的吸水率和溶胀率先降低后增加。常温下,当S-CNTs含量为3 wt%时,复合膜的吸水率和溶胀率最低,分别为26.2%和9.8%。3 wt%含量的S-CNTs/SPEN复合膜的质子电导率和甲醇渗透率分别为0.085 S·cm^-1和9.2×10^-6cm^-2·s^-1。3、利用直接磺化法制备得到磺化氧化石墨烯（SGO）纳米填料,并将其与SPEN复合得到SGO/SPEN膜。实验结果表明SGO/SPEN复合膜的界面相容性要优于GO/SPEN复合膜,从而改善了复合膜的综合性能。1 wt%含量的SGO/SPEN复合膜具有最高的质子电导率和最低的甲醇渗透率,分别为0.109 S·cm^-1和0.17×10^-6cm^-2·s^-1。4、通过共价键合作用将氨基基团引入GO表面,得到氨基化的氧化石墨烯（NGO）,并以此为填料制备了一系列NGO/SPEN复合膜。通过NGO表面的氨基与SPEN中的磺酸基团形成的酸碱质子对作用,改善了复合膜在高温下的质子电导率和尺寸稳定性。当NGO/SPEN复合膜的填料含量为1 wt%时,其在80 ^oC下的质子电导率达到了0.184 S·cm^-1,同时膜的溶胀率为59.31%。5、为了研究两种碳纳米材料对SPEN质子交换膜结构与性能的协同影响,以不同比例的GO和CNTs为填料制备了GO/CNTs/SPEN复合薄膜。研究结果表明,GO较大的比表面积阻止了CNTs的团聚,增加了其与CNTs之间相互接触的区域,降低了CNTs和GO的接触电阻以达到协同增强复合膜电导率的目的,使复合膜具有优异的综合性能。因此,改性的碳纳米材料掺杂在SPEN基体中表现出优于纯SPEN的综合性能,在质子交换膜方面具有潜在的应用前景。本论文提出的酸碱质子对作用和不同碳材料的协同作用将为高性能质子交换膜的设计与制备提供有益的参考。