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膜技术因其自身的优势实现了高水平的过程强化,在燃料电池、海水淡化、工业废水处理、氯碱生产等工业过程中引发了广泛的研究兴趣。离子交换膜作为膜技术的核心组件,为满足应用需要,应拥有高的离子通量和离子选择性等基本性能。膜材料的选择以及膜内微相结构(主体和界面)的形成直接影响着离子交换膜的性能。而膜主体以及界面的微相结构、膜的制备以及改性方法有着莫大的关联。本论文结合离子交换膜在能源、资源和环保三个背景下的实际应用过程,探讨了界面改性方法对离子交换膜性能的影响。具体内容如下:(1)为在离子交换膜内部构建规整离子传输通道,通过孔填充策略提升离子传导通量:利用不同比例的二甲氨基甲基丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸甲酯单体进行自由基聚合反应,合成叔胺-酯基型共聚物。借助共聚物中的叔胺基团与多孔溴化聚苯醚基膜中溴甲基之间的门秀金反应,通过孔填充对基膜孔道界面进行改性,制备了不同微相结构的共价键触发孔道填充型阴离子交换膜。得益于基膜中固有海绵孔道内壁上发生的门秀金反应,在通道内壁界面处产生的大量氢氧根离子传输活性位点而形成的连续贯穿型离子通道,所制得的阴离子交换膜在低IEC下(IEC=0.97mmolg-1)实现较高的氢氧根离子电导率(39.8 mS cm-1)和H2/O2燃料电池性能(60℃下功率密度可达3 15 mW cm-2)。(2)为进一步提高离子交换膜离子选择传导性,在高通量基膜表面构建分离功能皮层:基于合成的叔胺-酯基型共聚物而接枝的阴离子交换膜,借助三氟乙酸的强氧化性,将膜上的酯基水解成羧基,从而自组装形成含羧基聚合物表层的阴离子选择性渗透膜。因共价键而结合的聚合物表层,保证了其应用中的机械稳定性。而表层中均匀分布的丰富羧基基团,则保障了其在电渗析脱盐过程中较高的离子选择性(羧基含量最高的膜,Cl-/S O42-的离子选择性可达7.31,优于商业膜ACS)和良好的脱盐性能。(3)为拓展离子交换膜应用,通过对膜中间界面层改性制备双极膜:首先利用三氟乙酸将叔胺-酯基型共聚物水解成叔胺-羧基型聚合物,借助聚合物中叔胺和羧基与三价铁离子之间的配位作用制备高分子复合型催化剂,通过门秀金反应在溴化聚苯醚基阴膜层表面构建纳米复合催化剂层,再与磺化聚苯醚阳膜层复合后季胺化制备出双极膜。得益于共聚物与催化剂之间的配位作用而阻止催化剂泄漏,同时中间层中大量羧基促进了双极膜的高效水解离,实现了高效持久的运行以及超快的产酸产碱性能。(4)为开发离子交换膜的新过程应用,通过聚合物接枝改性制备离子型膜致动器:通过聚合物中的叔胺基团与溴化聚苯醚基膜上溴甲基之间的门秀金反应,在基膜表面接枝聚合物,制备了不同形貌结构的离子型膜致动器。因季胺化反应产生的季胺基团以及膜中存在的氢键使得膜的亲水性改变,促使膜表面的溶胀行为发生变化,从而实现了离子型膜致动器对水蒸气或水的响应性行为。