质子交换膜（Proton Exchange Membrane,PEM）是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）的核心部件，其性能直接影响着PEMFC的电池性能。但在高温条件下，大部分PEM（比如Nafion）因水分的严重流失，质子传导率严重下降，以及电池性能的衰减。为了提高PEM在高温条件下的质子传导性能，强化膜在无水条件的质子传递特性，本论文在膜内构建连续的质子传递通道和优化质子传递载体位点两个方面开展工作。利用磷酸插层的氧化石墨烯（PGO）在膜中构建连续的低能垒质子传递通道，强化复合膜的无水质子传导性能；后选择含有不同结构和官能团的有机分子调控GO的片层结构，优化氧化石墨烯（GO）内载体位点，强化GO的质子传导性能；同时，受植物细胞内液泡储存和离子传递机理启发，高分子咪唑微囊（IMCs）被设计制备以用来提高复合膜对磷酸（PA）的储存和保持能力，提高膜的无水质子传导率。本研究期望为高温无水PEM的设计及质子传递机理理论方面提供一定参考。具体研究内容及主要结论概述如下：　　1、基于PGO在膜内构建连续质子传递通道，强化膜无水质子传递特性。通过将磷酸（PA）插入到GO的片层中，设计制备了PGO材料，然后将其分散到磺化聚醚醚酮（SPEEK）基质中制备复合膜。研究发现：磷酸的插入提高了PGO与SPEEK基质间的兼容性，使PGO在SPEEK基质中均匀分散，且PGO倾向于垂直膜表面排布，从而构建并连通了复合膜内的质子传递通道，质子跳跃能垒下降，进而提高了复合膜的无水质子传导能力。与SPEEK空白膜相比，SPEEK/PGO-50在150 ℃下的无水质子传导率提高了5.6倍。　　2、基于有机载体优化GO内质子传递位点，强化GO质子传递能力。通过简单的物理超声方法将含有不同导质子官能团和不同结构的有机分子插入到GO的片层中，制备了11种有机分子插层的GO复合材料。研究发现：有机分子的插入增大了GO的片间距，增加了GO内的质子跳跃位点，丰富了GO层间的氢键网络，从而显著提高了GO复合材料的质子传导率；且不同分子结构和质子载体类型赋予GO复合材料不同的质子传导特性，通过优化有机分子上质子载体的数目与类型可显著增强GO的质子传导特性。在30 ℃下，对氨基苯甲酸插层的氧化石墨烯（GO/ABZ）获得了最高质子传导率5.0×10-4 S cm-1，比相同条件下GO的高一个数量级。　　3、基于高分子咪唑微囊储存磷酸（PA），强化复合膜的无水质子传递特性。通过沉淀共蒸馏法制备得IMCs，然后将制得的IMCs分散到SPEEK聚合物基质中制备复合膜。采用浸渍法将PA填充入复合膜中制得负载PA的复合膜。研究发现：IMCs的腔结构作为“酸池”，为复合膜提供了大量的磷酸储存空间，而壳层厚度的可调控性及其上的碱性咪唑基团控制了磷酸的流失，从而赋予复合膜高的磷酸储存能力同时低的磷酸流失率，增强了复合膜的质子传导能力；膜内充足的载体跳跃位点以及酸碱对（PA和咪唑）促进质子以低能垒的连续跳跃传递，提高了复合膜无水质子传递能力。在150 ℃下，腔尺寸为603 nm，壳层厚度为102 nm的IMCs填充的复合膜取得最优的无水质子传导率，达到34.6 mS cm-1，是相同条件下SPEEK-PA的2.5倍。