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阴离子交换膜是一种功能性的高分子薄膜,它由聚合物骨架、功能性阳离子和可移动的阴离子三部分组成。阴离子交换膜的用途十分广泛,其主要用途是作为储能电池(如钒电池、碱性燃料电池等)用隔膜。阴离子交换膜在储能电池中的作用为：(1)分隔正负极的电解液或燃料;(2)传输阴离子(如OH"等),保证电池的完整回路。阴离子交换膜具有固有的缺点,如与商用的全氟磺酸膜(Nafion膜)相比,阴离子交换膜的离子传导率低,且稳定性差。理想的阴离子交换膜应具有较高的离子传导率、良好的化学稳定性且成本低。针对阴离子交换膜的固有缺点,我们制备了新型的咪唑阴离子交换膜,对膜的性能进行了一系列研究,尤其研究了咪唑阳离子的碱稳定性,提出了咪唑阳离子的碱性降解机理及步骤,讨论了咪唑阳离子稳定存在的条件(1)基于钒电池(VFB)的需求,我们用1-丁基咪唑功能化聚苯醚(PPO),并用流延法制备了具有一定侧链长度的咪唑阴离子交换膜(BIM-PPO膜)。其中,BIM-PPO-40膜具有优异的阻钒性能,钒离子传递系数为4.8×10-9cm min-1;60℃时的离子传导率为10.8mS cm-1,并且,具有良好的化学稳定性。咪唑阳离子在碱性条件下有可能会受到OH"的亲核攻击产生降解,而基于密度泛函理论(DFT)的研究,[DMIM][HSO4]的LUMO-HOMO能量差为6.394eV,与[DMIM][OH]的LUMO-HOMO能量差(5.387eV)相比较大,因而[DMIM][HSO4]的结构相对更稳定(2)以1-甲基咪唑为功能化试剂、N,N,N’N’-四甲基-1,6-己二胺(TMHDA)为交联剂,制备了一种具有微相分离结构的多氟交联咪唑型阴离子交换膜(C-FPAEO-x-MIM膜)。20℃时,综合性能较好的C-FPAEO-75-MIM膜的OH-传导率约为17mS cm-1,拉伸强度为28.02MPa,含水量为51wt%,溶胀率为6wt%。(3)咪唑功能化聚噁二唑芳醚阴离子交换膜(FPAEO-2.2MIM)经碱处理后IEC和OH-传导率都明显降低。我们用FT-IR和13C-NMR研究了咪唑阳离子的降解产物,并用DFT研究了二甲基咪唑阳离子(DMIM)的碱性降解机理及降解步骤。结果表明,DMIM的C2位容易受到OH-的攻击,在碱性条件下有可能通过开环反应机理发生降解。DMIM的碱性降解步骤包括：第一步为亲核取代反应；第二步为开环反应；第三步为重排反应。基于DFT的计算,我们发现DMIM在碱性较低的环境中具有较好的化学稳定性；而OH-浓度较高时,DMIM容易通过开环降解机理发生降解。通过研究介电常数(溶剂)对反应过程的影响,我们发现咪唑阳离子和OH-离子的良好溶剂化(水合程度较高时)有利于咪唑阳离子碱稳定性。(4)用DFT计算了1-苄基-3-甲基咪唑阳离子和1-苄基-2,3-二甲基咪唑阳离子中,连接咪唑环和苄基的C-N键的键能。结果表明咪唑环和苄基连接的C-N键能约是咪唑阳离子开环反应活化能的2.5倍。因此,在碱性条件下,当忽略聚合物主链结构中含有其他活性位点的情况时,与聚合物侧链的苄基上C-N键断裂相比,咪唑阳离子更容易通过开环反应机理发生降解。我们分别研究了N1位烷基和苄基以及C2位甲基对咪唑阳离子的碱稳定性的影响。结果表明,咪唑环上N1位被烷基或苄基取代后,对其碱稳定性的影响很小。而C2位被甲基取代的咪唑阳离子(TMIM),其碱性降解的亲核取代反应的活化能约增加40%,且具有最高的LUMO能量(-1.013eV),碱稳定性明显较好。因而,C2甲基取代的咪唑阳离子具有作为碱性阴离子交换膜用功能性基团的潜力。(5)分别制备了C2未被取代和C2甲基取代的咪唑型阴离子交换膜(FPAEO-2.2MIM和FPAEO-2.2TMIM),以及胍基阴离子交换膜(FPAEO-2.2QG),并研究了三种阴离子交换膜的碱稳定性。经5mol L-1NaOH溶液浸泡30天后,FPAEO-2.2MIM、FPAEO-2.2TMIM和FPAEO-2.2QG膜的IEC大约分别降低了82%、13%和8%。基于DFT研究,六甲基胍阳离子(QG)的LUMO能量(-0.938eV)与TMIM (-1.013eV)相比较高,最不容易受到OH-的亲核攻击。三种阴离子交换膜中功能性基团的碱稳定性的排列顺序为：QG>TMIM>DMIM。因此,C2甲基取代的咪唑型阴离子交换膜也不适合长期在强碱性条件下使用。研究结果表明,咪唑阴离子交换膜不适合在强碱性环境中应用,可应用在弱碱性环境中或酸性环境中。咪唑型阴离子交换膜在钒电池中具有更广阔的应用前景。