质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新型清洁能源发电设备,具有能量转换效率高、零污染等特点,因此在能源领域占据着至关重要的地位。质子交换膜是燃料电池的核心部件之一,其质子传导率的优异程度决定着燃料电池的输出功率。研究发现,开发新型具有高效传导性能的本征质子导体材料以替代商业化Nafion膜,使其在燃料电池装置中大规模应用是一项重大挑战。为此,以传统多酸材料为导向,构筑连续的质子传导路径和选择合适的质子载体是实现高效质子传导的基础。本论文选用和传统多酸分子具有类似结构的铋氧簇为研究主体,利用铋氧簇阳离子的特征,与不同阴离子复合,形成不同类型的质子导体,探究其结构对质子传导性能的影响。1.利用铋氧簇大阳离子{H₆Bi₁₂O₁₆}和多金属氧簇大阴离子(PW₁₂O₄₀^3-)的相互作用,制备了一种新型的多孔离子型纳米晶无机质子导体。该离子晶体为质子的快速传输提供了“灵活”的多质子通道。杂多阴离子同时作为质子载体和亲水位点,能够提高材料的质子电导率。同时正电荷的铋氧簇可以通过与亲水性阴离子平衡,有效地抑制多酸阴离子在高相对湿度下的流失。2.利用植酸阴离子的调控诱导硝酸铋水解生成层状化合物,探究质子载体的浓度及本征质子导体结构对质子传导性能的影响。3.利用亲水性铋氧簇阳离子纳米晶体{H₆Bi₁₂O₁₆}与亲水性氧化石墨烯相互作用,采用真空辅助自组装的方法制备了一种高效的质子传导材料—{H₆Bi₁₂O₁₆}/GO纳米复合膜。{H₆Bi₁₂O₁₆}/GO能够实现质子传导性和甲醇渗透性之间的平衡,同时显示出对过氧化氢较高的催化分解能力,以及快速的湿度响应和恢复特性,并在较宽的温度范围内（-40⁹0℃）表现出了高效的质子传导性能。4.铋氧簇在分子水平杂化修饰在Nafion的离子纳米通道中,制备出了Nafion-{H₆Bi₁₂O₁₆}杂化膜。铋氧簇{H₆Bi₁₂O₁₆}由于其合适的结构尺寸,在溶液中选择性地与Nafion亲水链相互作用从而维持了Nafion杂化膜的微观相分离结构。适量的亲水性{H₆Bi₁₂O₁₆}主要分布在离子纳米相,而过量的{H₆Bi₁₂O₁₆}主要分布于骨架纳米相中,填充剂精确的分布对膜的微观结构和性能产生了不同的效应。离子纳米相中的{H₆Bi₁₂O₁₆}可以作为增加质子传导的位点,提高质子传输亲水性能,同时不会失去机械稳定性。铋氧簇{H₆Bi₁₂O₁₆}与Nafion膜的磺酸基团-SO₃H之间的静电或氢键相互作用是构建连续的质子传输通道的主要作用力。杂化膜界面处通道的物理、化学微环境协同优化产生贯通的连续传输路径,即一个水分子能够与多个S-OH,或Bi-O-H…OH形成氢键,导致氢键网络中O-O距离缩短,致使质子传递能垒降低,显著提升了质子的传递效率和甲醇燃料电池的输出功率。因此,分子水平杂化技术具有显著的提高工艺效率和成本节约的前景。