【摘 要】
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随着能源短缺和环境恶化日益严重,作为清洁能源的燃料电池技术受到越来越多研究者的关注。而质子交换膜燃料电池因其功率密度高,无污染,被认为是首选的洁净高效发电技术。开发高性能质子交换膜是提高燃料电池效率的关键。在传统聚合物膜中,质子传递通道以任意取向曲折存在,导致质子传递路径长、效率低。共价有机框架材料（COF）具有结构规整、孔道有序、孔径可调等优点,为开发高效质子交换膜提供了新材料。本研究以二维离子
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随着能源短缺和环境恶化日益严重,作为清洁能源的燃料电池技术受到越来越多研究者的关注。而质子交换膜燃料电池因其功率密度高,无污染,被认为是首选的洁净高效发电技术。开发高性能质子交换膜是提高燃料电池效率的关键。在传统聚合物膜中,质子传递通道以任意取向曲折存在,导致质子传递路径长、效率低。共价有机框架材料（COF）具有结构规整、孔道有序、孔径可调等优点,为开发高效质子交换膜提供了新材料。本研究以二维离子型COF纳米片为质子传递通道构筑单元,采用真空辅助自组装法制备高性能质子交换膜。通过构筑长程、规整的质子传递通道,实现质子快速传递,同时引入磷酸基团优化膜内通道的化学微环境,提高COF膜的质子传导率。主要研究内容如下:（1）以阳离子型共价有机框架纳米片为质子传递通道构筑单元,通过孔内负载磷酸强化质子传递过程。采用“相转移聚合”法在水相中合成二维阳离子型TFBTGCl纳米片,进而通过真空辅助自组装法制备TFBTGCl膜。组装过程中纳米片堆叠形成连续规整的传递通道,通过在孔道内引入磷酸分子制备PA@TFBTGCl膜,磷酸质子载体的引入优化了质子传递通道化学微环境。通过设计三种不同骨架结构的阳离子型COF,调控膜内通道水环境,强化质子传递过程。其中,PA@TFBTGCl-（OH）2膜在80 oC、100%RH条件下,质子传导率为0.445 S cm-1。（2）以阴离子型共价有机框架纳米片构筑磺酸基团精准排列的规整通道,同时引入磷酸化石墨烯量子点（PGQD）强化层间质子传递过程。将通过“相转移聚合”法制备的二维Tp Pa-SO3H纳米片与PGQD共组装制备PGQD@Tp Pa-SO3H-X膜。多孔的Tp Pa-SO3H纳米片组装形成磺酸基团有序分布的规整质子传递通道,同时PGQD上丰富的磷酸基团也可作为质子传递位点,协同优化膜内化学微环境,实现质子快速传递。在90 oC,100%RH条件下,PGQD@Tp Pa-SO3H-3膜质子传导率达到0.92 S cm-1,是已报道的质子交换膜性能最高值之一。同时,基于Tp Pa-SO3H纳米片和PGQD间的多重相互作用,实现了PGQD@Tp Pa-SO3H-X膜质子传导率与机械性能的协同强化。
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