近年来,聚合物电解质膜燃料电池因其工作温度低、功率密度高、环境友好等优点,因此引起了研究人员的广泛关注。作为一种清洁的新能源,聚合物电解质膜燃料电池一般可以分为两类:分别为质子交换膜燃料电池(PEMFCs)和碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)。前者由于商业化Nafion膜的发展而迅速壮大,但由于高昂的成本而难以大规模推广。相比之下,AAEMFCs由于高的电极反应效率、极低的燃料泄漏率,尤其可以允许非贵金属催化剂如镍、铁和银等使用的优点,渐渐地成为新的研究热点。阴离子交换膜(AEMs)作为AAEMFCs重要组成部分之一,直接决定着燃料电池的性能、寿命和效率。合格的AEMs需要具备高的OH-传导率、足够的力学强度、良好的化学稳定性(主要是对碱性环境的耐受程度)。现有的研究表明膜的微观形貌与其性能之间存在密切的关系,理想的微相分离形貌可以为膜内的氢氧根离子提供通道,从而促进其传导。此外,考虑到氢氧根在膜内的传递机制,我们认识到水分子的作用必不可少。在未来高温AAEMFCs的发展中,膜内的水分蒸发流失会成为膜性能下降的主要原因之一,因此发展保水性能好的AEMs也是推进AAEMFCs发展的重要举措。基于此,本课题主要研究内容如下:(1)选用二(4-氟苯基)苯基氧膦的氨基化聚合物(ABFPPO)作为主链材料,通过化学改性,在其侧链接枝带有季铵阳离子基团。控制聚合物膜的离子交换容量相似,改变侧链的接枝长度和接枝密度形成两种不同结构的梳形共聚物。由于梳型结构的聚合物可以形成非常理想的相分离形貌,在氢氧根电导率性能和耐碱性方面有着优异的表现。结合粗粒度分子动力学模拟手段,从分子层面预测聚合物膜的微观形貌,研究其与膜的性能之间的联系,未来可以用于指导AEMs的结构设计。(2)参考自然界中仙人掌的卓越的保水过程,我们合成了类似的中空聚合物多孔微球结构(HPMCs)并将其引入到常见的季铵化聚苯醚AEMs(即QPPO)中。通过测试我们所合成的QPPO-HPMCs膜在低湿度下电导率来观察其是否起作用。此外,我们也测试了当其用于实际的电池测试环境体系下的性能。以上实验证明HPMCs具有卓越的保水能力,这个工作为阴离子膜的发展提供了一种广泛适用的策略。