燃料电池以其高效、环境友好的发电方式,被誉为21世纪的能源技术。其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)更以燃料甲醇来源丰富,价格低廉,储存、携带方便而成为近年的研究热点。目前影响DMFC商业化的最重要的因素是质子交换膜和阳极催化剂问题,对于质子交换膜,存在的主要问题是质子交换膜甲醇透过率高且价格昂贵；对于阳极催化剂,存在的主要问题是甲醇电氧化催化剂活性低且易被中间产物毒化。杂多酸是由含氧杂多阴离子和与之平衡的氢离子所构成的具有笼型结构的化合物,具有极强的导质子能力和氧化还原双重功能,有利于改善氧化还原反应的电子和质子传输环境。由于杂多酸在质子导电和催化方面的独特性质使其在DMFC关键材料的制备中受到研究者们的广泛重视。本论文针对上述两个问题,利用杂多酸独特的性质对DMFC关键材料性能(质子交换膜和阳极催化剂)进行了优化研究。开展了如下的工作:　　 (1)壳聚糖是一种天然的,价格便宜的的生物大分子,作为成膜性较好的材料被广泛的研究,但其本身质子电导率较低。我们研究中发现壳聚糖在溶液中可以和杂多酸通过静电相互作用形成不溶于水的复合物。利用壳聚糖和杂多酸之间的相互作用,采用自组装的方法制备了壳聚糖/磷钼酸,壳聚糖/磷钨酸和壳聚糖/硅钨酸复合膜,并进行了一系列的表征。所制备的复合膜具有较高的质子电导率(σ),甲醇透过率(P)约为Nafion膜的十分之一。在三种复合膜中,壳聚糖/磷钼酸具有最好的性能,其σ/P值达到了5.6x104 Ss cm-3,约为Nafion膜的两倍。另外由于壳聚糖和杂多酸之间的相互作用,杂多酸可以稳定的存在于膜中,解决了杂多酸溶于水而流失的问题。研究表明壳聚糖/杂多酸复合膜是非常好的质子导电材料,有希望在DMFC中应用。　　 (2)杜邦公司生产的商业Nafion膜具有较高的质子电导率,好的化学和机械稳定性,目前在直接甲醇燃料电池中应用最广泛。但商业的Nafion膜存在甲醇透过率过高的问题,仍不能满足实际需要,因此对Nafion膜改性以降低其甲醇透过是目前质子交换膜研究的一个重要方向。我们提出了一种简单有效的改性方法,即在Nafion表面修饰低甲醇透过的质子导电材料。首先在Nafion膜表面修饰一层壳聚糖膜,然后再将修饰的膜浸入一定浓度的磷钨酸溶液中,使壳聚糖和磷钨酸发生反应,形成CS/PWA复合物,这样就制备出了Nafion/CS/PWA复合膜。修饰层非常均一,厚度约为900nm。和Nafion相比,Nafion/CS/PWA复合膜的甲醇透过率下降了约40％,而质子电导率没有明显改变,由改性Nafion制备的MEA其单电池的性能明显好于未改性的Nafion膜。　　 (3)首先用改进的浸渍法制备了Pt/C和PtRu/C催化剂。和常规的浸渍法相比,改进的浸渍法在还原步骤前增加了一个沉积的过程,使PtCl62-或Ru3+以(NH4)2PtCl6和Ru(OH)3形式沉积到载体上,避免了还原出的Pt和Ru粒子在溶液中聚集的问题。过渡金属的氧化物如MoOx和VOx等能够促进CO的氧化,而HsPMo10V2O40(PMV)不仅含有MoOx,和WOx两种氧化物,而且还具有较高的质子电导率。通过对H5PMo10V2O40(PMV)杂多酸修饰多晶Pt电极的研究,发现PMV能够促进甲醇的电催化氧化。为进一步提高对甲醇的电催化性能,将PMV沉积到Pt/C催化剂上制得PMV-Pt/C催化剂。研究发现,和Pt/C催化剂相比,PMV-Pt/C催化剂对甲醇电氧化具有更高的电催化活性和稳定性。PMV的沉积可以起到三个作用,一是在Pt纳米粒子表面形成单分子层吸附,通过静电排斥作用可以抑制Pt纳米粒子的聚集；二是促进甲醇氧化中间产物CO的氧化,减弱催化剂毒化；三是提供质子传递通道,提高Pt利用率。　　 (4)首先研究了磷钨酸在活性碳上的行为,发现磷钨酸在活性碳上的吸附符合Freundlich吸附式。磷钨酸在碳材料上的吸附可以看做酸碱反应,因此碳材料的比表面积和表面酸碱度是影响吸附量的主要因素。吸附在碳材料上的磷钨酸分散非常均匀,通过吸附在碳载体上的磷钨酸的热分解可以制备出分散均匀的,不同WO3含量的WO3/C复合物。再以WO3/C为载体制备出Pt-WO3/C催化剂。研究发现,所制备的Pt-WO3/C Pt纳米粒子均匀的分散在活性炭载体上,平均粒径约为2.5nm,且分布范围非常窄；Pt-WO3/C催化剂的催化活性是Pt/C和Pt/C(E-TEK)催化剂的将近两倍,而且稳定性也明显好于Pt/C和Pt/C(E-TEK)催化剂,这表明WO3的引入极大的提高电催化氧化甲醇的活性和稳定性。WO3高的助催化作用主要来源于氢溢出效应,氢从Pt溢出到氧化钨上形成氢钨青铜(HxWO3),有利于甲醇氧化中间产物的除去,同时提供质子通道,解决了Pt由于陷入碳载体的微孔中,无法与电解质接触而失去催化活性的问题,提高了Pt的利用率。