燃料电池是一种清洁,高效的能量转换技术。近几十年来,伴随着全氟磺酸型质子交换膜(Nafion(?))和Pt/C催化剂等关键材料的应用和发展,质子膜燃料电池的研究取得里程碑式发展,各种以其为动力的商业化燃料电池汽车相继被报道,不少性能可以与内燃机汽车相抗衡。但由于其强酸性运行环境,质子膜燃料电池的运行必须依赖昂贵的Pt基催化剂和Nafion(?)膜材料,这制约了其进一步商业化。因此,近些年研究人员将目光转向了碱性阴离子交换膜燃料电池。因其运行环境为碱性,故其氧还原反应过电势较低,动力学更快,可以使用更为廉价的银基、钴基、镍基等非铂基金属催化剂,这大大降低了运行成本。此外相对于质子交换膜燃料电池,碱性阴离子交换膜燃料电池还具有金属催化剂中毒概率低,燃料来源丰富,水管理方便等优势。但目前该领域的研究还不够成熟,缺少兼具高离子电导率和优良化学稳定性的商业化阴离子交换膜。阴离子交换膜是一种聚电解质,主要由高分子骨架和连接于上面的离子交换基团组成,可以实现阴离子的选择性透过。先前研究者利用侧链型、密集型、梳状型等多种拓扑结构,来调节膜内离子交换基团自组装聚集行为,从而构造离子传导通道。这些离子通道的存在使膜内离子传输速率大幅提升,但目前与商业化目标仍存在差距,这主要因为通道结构不够连续贯通。针对这一关键问题,本文从强化离子交换基团自组装聚集驱动力角度为切入点,通过合理的结构设计,调控离子化链段与非离子化链段极性差异以及离子化链段间的弱相互作用,来构造高效离子传导通道,提升离子电导率并且保证碱稳定性。具体内容如下:(1)我们结合侧链型和密集型阴离子交换膜的核心结构优势,将多个离子化侧链密集地引入到聚合物特定结构单元上,制备了密集侧链型阴离子交换膜,其中柔性侧链提升了离子交换基团的运动自由度,而密集分布的离子化侧链强化了不同链段间的极性差异,这两者的协同作用强化了离子化链段自组装聚集的驱动力,从而构建规整离子传导通道,提升膜离子电导率。(2)从通道构筑本质出发,我们引入额外相互作用作为驱动力来构筑通道。通过在季铵化聚苯醚(QPPO)上接枝聚乙二醇(PEG)偶极大分子,利用其与季铵阳离子基团之间离子-偶极相互作用作为驱动力,促进离子交换基团有效聚集,构筑规整且贯通的离子传导通道。另外这种离子-偶极相互作用网络,具有典型非共价健的刺激响应性,在热扰动下,可促进相互作用网络的断裂-生成动力学转变,这无疑为在膜内提供一个“动态”离子传导环境,增加离子传递动力学。我们结合分子动力学模拟和实验手段,发现该概念设计的确能够促进离子交换基团聚集从而构筑通道,并且能够大幅提升离子电导率以及相应的燃料电池性能。(3)为了进一步优化材料综合性能,简化结构设计,保留核心特色离子偶极-相互作用,将偶极-CH2CH2O-单体作为侧链间隔基引入更具耐碱性的聚芳基哌啶骨架中,利用离子化侧链之间的离子-偶极相互作用作为驱动力,促进离子化侧链相互聚集,构建碱稳定的离子传导通道,该膜在离子电导率,碱稳定性以及单电池性能上都表现出较高的水平。通过上述研究工作,我们证明了利用在离子膜中引入相互作用对构造高效离子传导通道方面的可行性。这一认识打破现有离子膜结构设计局限,为我们提供了新的研究突破点。在本文中,初步探索了离子-偶极相互作用对离子传导的促进作用,今后可进一步探索其他相互作用如氢键,金属配位,阳离子-π等非共价键作用在构建高性能离子膜方面的应用。