随着化石能源的枯竭以及环境污染越来越严重,开发清洁的、可重复利用的以及能量转换效率高的新能源技术已经成为科学家们的研究热点。燃料电池是一种高效、安全、绿色的能源技术,它以甲醇、乙醇、氢气等作为燃料,通过电化学反应把化学能转换为电能。目前,这种技术已经广受科学家们的关注。聚合物电解质膜是燃料电池的核心组成部分,它的性能对于燃料电池的使用极为重要。最近十几年,研究较多的是质子交换膜,质子交换膜(如Nafion膜)具有良好的热稳定性、出色的抗电化学氧化性、优异的机械性能和较高的质子传导率,但因要使用资源稀缺的金属铂作为催化剂,且价格昂贵等因素,限制了它的实际应用。碱性阴离子交换膜因可以用非贵的金属作为催化剂,引起了科学家们的广泛关注。但是跟质子交换膜相比,它的电导率和稳定性较低。因此,提高碱性阴离子交换膜的电导率和碱性稳定性是当前急需解决的问题。针对这些问题,国内外一些课题组已经提出了很多解决策略。在文献调研的基础上,本论文从聚合物结构与功能的关系出发,对聚合物主链和功能基团进行了优化设计。首先,选择以力学性能优异、易于进行化学修饰的聚苯醚为骨架;其次,引入化学稳定性好的离子基团：并通过聚合物微观结构的设计,制备了几种导电性能高、化学稳定性好、力学性能优异的氢氧根离子交换膜。主要研究内容分为以下四个部分：1.设计、合成了一种新型的三嵌段聚合物(QPPO-PAES-QPPO),其中两端是亲水性的季铵化聚苯醚(QPPO),中间一段是疏水性的聚醚砜(PAES)。利用1H NMR、TGA对聚合物的结构和热稳定性进行了表征。同时,通过小角X散射(SXAS)和原子力显微镜(AFM)进行了形貌分析。接着,对氢氧根离子交换膜的离子交换容量、含水率、溶胀率和电导率等性能进行了表征,研究了电导率对温度的依赖性。在相近的离子交换容量和温度下,三嵌段聚合物膜具有更高的电导率,最高值可达129mS/cm。另外,用拉伸机和TGA分别研究了膜的机械性能和热稳定性,并将其浸泡于1mol/L的NaOH溶液中,观察其电导率变化。2.基于微相分离和离子通道的理念,设计、合成了一种离子基团簇,即在同一苯环上含有三个叔胺基团的分子(TDAP),把它连接到聚苯醚侧基上,再经过季铵化得到一种新型的含三离子团簇的氢氧根离子交换膜(PPO-TQA)。为了进行对照究,又分别合成了每个侧链含有一个和两个离子基团的聚苯醚。通过这些聚合物离子交换膜性能的对比研究,我们发现含有离子簇的氢氧根离子交换膜不仅具有电导率高,而且它的含水率及溶胀率和溶胀率都比较低。此外,将PPO-TQA浸泡在80℃1mol/L的NaOH溶液中12天,测试其电导率和离子交换容量的化。3.用原位自由基聚合的方法,设计、合成了咪唑盐基离子液体功能化的多壁碳纳米管和咪唑盐基功能化的聚苯醚,通过二者的复合构筑了一种新型的碱性阴离子交换复合物膜。用扫描电镜对复合物膜的结构进行了表征,结果显示离子液体聚合物功能化的碳纳米管可以均匀地分散在咪唑盐功能化聚苯醚中。对聚合物与碳纳米管复合物膜的性能研究结果表明,与没有掺杂碳纳米管的离子交换膜相比,碳纳米管的引入不仅可以显著的提高膜的力学性能,而且可以显著提高膜的导电率。当碳纳米管含量达0.3wt%时,膜的电导率和拉伸强度达到一个最大值,分别提高了95.3%和82.9%。因此,引入功能化的碳纳米管是一种既可以提高电导率又可以增强机械性能的有效方法。4.设计、合成了一种新型的苯基咪唑盐功能化的聚苯醚,将其制成膜后,再在85%的磷酸溶液中进行掺杂作用,从而制备了一种磷酸掺杂的聚合物薄膜,它可以用于高温质子交换膜燃料电池。为了获得高磷酸含量和高尺寸稳定的膜,用1,4-二溴甲基苯作为交联剂,获得了交联结构的聚合物膜。为了考察膜的性能,对磷酸掺杂的交联和非交联膜的磷酸含量、溶胀率、拉伸强度以及电导率等性能进行了测试和分析。当磷酸含量为438%的交联膜不仅具有高的电导率(140℃,54mS/cm),而且具有良好的尺寸稳定性和力学性能。此外,将磷酸掺杂的膜浸泡在80℃的Fenton溶液内(含3%的H2O2和4ppm Fe2+)中,观察膜的形状变化,证实了该膜有很高的抗氧化性。