随着人们对环境污染与能源短缺问题的高度关注,氢能作为一种清洁环保能源,已成为当下研究的重要方向之一。聚合物电解质膜燃料电池是新一代的燃料电池,它是利用氢能的高效能量转化装置。根据聚电解质膜种类的不同,可以分为质子膜燃料电池(PEMFC)和碱性膜燃料电池(AEMFC)。目前可实现商业化的是质子膜燃料电池,但是由于其昂贵的隔膜(基于含氟聚合物的Nafion膜)和贵金属催化剂,它的商业化规模受到限制。相较而言,AEMFC则可使用无氟聚合物的隔膜和非贵金属催化剂,因此AEMFC作为控制燃料电池成本的技术,在近几年得到飞速发展。阴离子交换膜(AEM)作为AEMFC的核心部件之一,其性能尚不满足实际应用的要求,因此也成为限制AEMFC商业化的主要原因。目前对于AEM的研究方向主要基于聚芳醚基、聚烯烃基聚合物和常见的季铵、季磷类阳离子基团,并通过一系列改性方法使膜的性能得到提升。但是这种性能的提升往往是有限的,大多数的研究并不能从根本上解决问题。AEM仍然因为OH-离子的迁移率较H+离子慢,季铵阳离子基团在碱性条件下易发生霍夫曼消除等副反应的本质问题而带来的离子传导率和耐碱性不足,无法与酸性膜相提并论。因此,本文从分子结构设计的角度出发,摒弃了传统的聚合物,而是设计一种新型无醚键的聚合物,并对其进行改性,期望实现综合性能的提升。具体展开的研究内容如下:(1)聚联苯哌啶多阳离子交联膜的制备与研究通过强酸催化聚合法制备一种新型不含醚键的聚联苯哌啶主链;合成了两端含烷基溴的多阳离子交联剂,使其末端可与主链的哌啶环发生自交联反应。通过改变交联度,以探究交联度对膜性能的影响。该多阳离子交联剂促进了离子传导并提高了膜的尺寸稳定性,其传导率最高可达155 mS/cm。同时,得益于稳定的聚合物骨架和交联网络较大的空间位阻,该膜也显示出优异的耐碱性。(2)不同构型的聚芳烃哌啶阴离子交换膜的构效关系研究基于上节的工作研究,为了控制膜的水吸收,进一步提高机械性能。分别选择三种不同构型的三联苯:对-三联苯、间-三联苯和联苯-三联苯混合物作为单体制备聚合物骨架,并采用上述体系最佳交联度,分别制备基于三种聚合物的交联膜,以研究聚合物骨架空间构型对碱性膜的性能的影响。总体来说,三联苯聚合物具有更低的离子交换容量(IEC),膜的水吸收和溶胀均得到控制(WU<70%,SR<20%)。因其主链空间构型各不相同,在离子传导性能和水吸收方面表现出不同的结果。通过测试和构型模拟发现,基于间三联苯的碱性膜主链具有折叠扭曲的空间构型,使离子更易聚集,形成有利于OH-传导的离子通道,因此显示出更高的离子传导率。(3)多阳离子侧链型接枝聚间三联苯哌啶阴离子交换膜的制备与研究在上一章研究中,交联膜虽提高了膜的尺寸稳定性,但牺牲了一定的离子传导率。因此,本章中选择使用远离骨架的“密集接枝”侧链结构以提高离子传导率。我们选择具有构型优势的聚间三联苯哌啶作为聚合物骨架,并加入三氟苯乙酮嵌段调控膜的IEC以提高机械性能,制备了一系列不同接枝比例的侧链型碱性膜。所制备的碱性膜传导率最高可达164.12 mS/cm,当接枝比例为15%时,该膜在碱液中浸泡1500小时后离子传导率仅降低了 11.67%。结果表明此“密集接枝”侧链结构可平衡膜的机械性能和离子传导率和耐碱性,显示出优异的综合性能。