燃料电池技术能够实现氢能向电能的高效清洁转化,在未来氢能能源利用体系中扮演重要角色。离子交换膜是燃料电池的核心部件之一,显著影响燃料电池的能量输出功率、能量利用效率和使用寿命。聚合物离子交换膜目前面临的一大瓶颈问题在于如何利用有限的离子交换容量尽可能提高离子传递性能,同时确保膜具有良好的稳定性,如薄而无缺陷、良好的抗溶胀性能、机械性能等。针对高性能聚合物离子交换膜对离子传递能力和稳定性的双重需求,本研究提出膜通道结构和主体结构的协同强化的设计范式,依托传统致密聚合物材料和型有机分子筛材料的不同特性,通过引入和调控相分离、孔道以提升膜离子传递通道的占比、连通性、规整性,强化膜的离子传递性能;同时分别设计自交联、杂化复合、高分子量聚合物自支撑、二维片层组装的膜主体结构以强化膜的稳定性,尤其克服了新型有机分子筛材料制备薄而无缺陷离子交换膜的挑战。具体研究内容如下:基于传统致密聚合物膜材料聚醚醚酮（PEEK）:开发了旋节线相分离方法改善了膜离子传递通道结构的连续性;利用膜内残留氯甲基热引发自交联强化了膜的主体结构;所得相分离交联膜在离子交换容量不变的情况下,离子传导率提升了113%,溶胀度降低了50.3%,抗拉强度提升了32.8%。基于新型有机分子筛膜材料超交联聚合物（HCP）:开发了高比表面积（706m~2/g）及高离子密度（3.65 mmol/g）的季铵化三蝶烯超交联聚合物QTP-HCP纳米球提供高占比的离子传递通道,并与聚合物基质构建杂化复合膜主体结构,从而避免了QTP-HCP颗粒压片成膜所产生的界面缺陷,最终杂化复合膜的离子传导率比压片膜提升了553%,抗溶胀能力和机械性能大幅强化。基于新型有机分子筛膜材料自具微孔聚合物（PIM）:利用PIM-1的可溶性,开发了温和高效离子化修饰工艺制备微孔自支撑离子交换膜QPIM-1。其微孔结构构建了连通性良好的离子传递通道,离子传导率可达传统致密季铵化聚苯醚（QPPO）膜的2.6-5.3倍;通过提高PIM分子量增加聚合物链纠缠结构,使QPIM-1膜具有媲美传统聚合物离子交换膜的机械性能（抗拉强度46.3 MPa）。基于新型有机分子筛膜材料共价有机框架（COF）:开发了均相合成磺酸化COF纳米片NUS-9 COF的方法,并层层组装成薄而无缺陷的离子交换膜。其规整的面内离子传递通道和层间离子传递通道使膜的离子传导率可达Nafion膜的3.32倍;其刚性的片层框架结构和层间丰富的相互作用,使得膜表现出优异的抗溶胀性能（横向溶胀几乎为零）以及良好的机械性能（抗拉强度22.1 MPa）。