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阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）可实现氢能的高效利用,满足国家重大需求。碱性条件下,燃料电池具有更快的氧还原动力学,可使用非贵金属催化剂。然而,作为阴离子交换膜燃料电池中的关键组件,阴离子交换膜（AEMs）的OH-本征迁移率低,OH-进攻下阳离子基团和聚合物主链易降解,造成其离子电导率低、碱稳定性差。设计膜材料的分子结构促进微相分离,可以有效地构建OH-传导通道,进而提高膜的OH-电导率。采用碱稳定性高的阳离子基团,可以显著提高膜的耐碱性,从而延长膜的使用寿命。N-螺环季铵功能基团具有约束环构象,碱稳定性高于其他常用的咪唑、脂肪胺、环胺基阳离子。但N-螺环的双环结构高度刚性难以微相分离,导致存在成膜性差、电导率-溶胀平衡难、N-螺环基燃料电池功率密度低等关键问题。本文提出N-螺环基耐碱高传导聚砜阴离子交换膜的微相分离结构设计方法。设计具有醚氧间隔基、氢键二胺醚氧间隔基,以及氢键二胺醚氧N-螺环/烷基亲疏水链系列N-螺环侧链结构,调控膜内亲-疏水微相分离,氢键协同离子键促进OH-传导,显著提高N-螺环基阴离子交换膜性能。N-螺环阳离子碱稳定性高,但其闭环结构使其接枝困难、常规溴甲基接枝路线形成的苄基季铵N-螺环结构会导致功能基团和聚合物主链碱稳定性差。本章提出羟基取代N-螺环阳离子合成路线,通过Williamson反应接入聚砜主链,再利用N-螺环聚砜与氯甲基聚砜之间的原位热交联,制备出具有醚氧间隔基的N-螺环聚砜交联膜（Cr-ASD-PSF及Cr-ASU-PSF）,显示出优异的热碱稳定性（1 M KOH,80℃浸泡720 h后,Cr-ASU-PSF 1.92膜的电导率仅下降4.4%）,优于文献报道的苄基间隔N-螺环基阴离子交换膜。醚氧键旋转使N-螺环基聚砜形成微相分离结构（离子簇约为5.2nm）,Cr-ASD-PSF 2.05膜在80℃下的电导率为85.7 mS cm-1、溶胀度为39.6%。醚氧键易旋转,但N-螺环的双环结构高度刚性,使未交联的醚氧间隔N-螺环基聚砜难以单独成膜,亟需提高N-螺环侧链移动性。论文设计含氢键的二胺间隔基,首先采用刚性远低于N-螺环的常用咪唑功能基团,研究氢键二胺间隔基对膜微相分离结构的调控作用和OH-传导机制。分子动力学模拟表明,胺基与水分子之间存在氢键网络,可以扩展OH-传导通道,协同离子键促进OH-传导。调控二胺间隔基长度可优化亲-疏水微相分离结构,随二胺间隔基长度增加,侧链移动性增强促进阳离子基团聚集,同时减弱侧链与聚合物主链之间不相容性,不利于阳离子基团聚集。以离子簇尺寸作为侧链长度优化的判据,当二胺间隔基长度为6时,氢键二胺咪唑基PSF-C6-DMIm膜具有较大离子簇（约为11.2nm）、较高电导率（80℃下为125.8 mS cm-1）和较低溶胀度（80℃下<20%）。进而,提出氢键二胺醚氧间隔N-螺环侧链,提高N-螺环侧链移动性,促进微相分离,提高电导率和机械性能。分子动力学模拟表明,虽然与氢键二胺咪唑侧链相比,氢键二胺N-螺环侧链的刚性增加、与主链不相容性降低导致微相分离程度降低,但相比于醚氧N-螺环侧链,氢键二胺N-螺环侧链具有更高的移动性和链缠结,显著提高了微相分离程度,聚合物成膜性良好,膜具有更高的电导率和机械性能。与氢键二胺咪唑侧链基膜类似,具有6个-CH2-间隔基的PSF-C6-ASD膜表现出最大的离子簇（约为8.5 nm）和最高的OH-电导率（在80℃时为107.1 mS cm-1）。柔性侧链间隔的链缠结作用显著提高了 N-螺环基聚合物的成膜性和膜的机械强度及韧性,PSF-C6-ASD膜的断裂伸长率提高至 Cr-ASD-PSF 2.05 膜的 3 倍。PSF-C6-ASD 膜在 1 M KOH,80℃ 浸泡 720 h 后,电导率保持率达98.3%,机械强度保持率达92.3%,最优测试条件下燃料电池峰值功率密度为 149.3 mW cm-2。氢键二胺醚氧间隔N-螺环侧链移动性高,但N-螺环的空间位阻效应使膜内产生较大的自由体积,电池测试中原料气速增加会造成电池开路电压大幅降低（气速为1000 mL min-1时,开路电压仅为0.71 V）,表明膜中原料气渗透严重,限制了 N-螺环基燃料电池的功率密度。论文进一步设计了亲水氢键二胺醚氧间隔N-螺环侧链协同疏水烷基侧链的亲疏水链接枝N-螺环基膜结构,降低膜的溶胀度和气体渗透性。分子动力学模拟表明,疏水烷基侧链不仅可以促进刚性N-螺环基团聚集和微相分离,同时也填充了膜内自由体积有利于减少原料气渗透。优化疏水链长度后的正辛胺N-螺环基膜具有更好的电导率-溶胀平衡性（80℃下,OH-电导率为136.2 mS cm-1,溶胀度为15.4%,拉伸强度为28.5 MPa）,使其燃料电池可以在更高气速下保持较高的开路电压（>1.0V）。优化测试条件后,电池功率密度最高可达850.1 mW cm-2,远高于文献报道的其他N-螺环基燃料电池,极大地提升了高碱稳定N-螺环基阴离子交换膜的应用潜质。