1、質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池(DMFC)的關(guān)鍵部件，不僅需要隔離燃料和氧化劑，而且是質(zhì)子傳遞的唯一通道，其性能直接影響著DMFC的性能。非氟質(zhì)子交換膜具有優(yōu)異的阻醇性能，但存在質(zhì)子傳導率提高與溶脹增大的矛盾。針對這個難點問題，本文提出了采用蒙脫土(MMT)抑制膜溶脹，拓寬膜材料磺化度選擇范圍，增強膜性能。本文利用有機化蒙脫土的疏水性和鈉基蒙脫土的親水性，設(shè)計了聚合物/有機化蒙脫土質(zhì)子交換膜體系和聚合物/水溶性聚合物/鈉基蒙脫土質(zhì)子交換膜

2、體系，制備了磺化聚芳醚砜酮(SPPESK)/OMMT和磺化聚醚醚酮(SPEEK)/聚乙烯醇(PVA)/MMT復合質(zhì)子交換膜并考察了其溶脹性能、機械性能、阻醇性能和質(zhì)子傳導性能。
　　首先為了增強蒙脫土與聚合物的相容性，采用不同碳鏈長度季銨鹽和不同離子類型季銨鹽對蒙脫土進行有機化改性以增強蒙脫土的疏水性。提出了插層劑有機鏈在干態(tài)OMMT層間存在垂直雙層構(gòu)象，并對其進行了進一步證實，完善了有機鏈在干態(tài)OMMT層間構(gòu)象模型。隨著插層劑添

3、加量的增加，插層劑有機鏈在層間分別呈1）平臥單層;2）平臥雙層;3）傾斜單層;4）垂直雙層;5）傾斜雙層五種形態(tài)。采用十八烷基三甲基溴化銨(STAB)改性的干態(tài)蒙脫土最大層間距達到6.44 nm。增加插層劑有機鏈長度和支鏈尺寸均有利于擴大OMMT層間距。
　　其次為了增強OMMT在有機溶劑中的分散性，詳細研究了有機化蒙脫土在溶劑中的微觀和宏觀溶脹行為，考察了溶劑漢森溶解度參數(shù)對有機鏈構(gòu)象的影響。結(jié)果表明溶劑漢森溶解度參數(shù)是影響溶脹

4、的重要因素，極性力δp是溶劑能否進入層間的決定性因素;色散力δd是濕態(tài)有機化蒙脫土層間距大小的決定性因素;氫鍵力δh對濕態(tài)有機化蒙脫土溶脹的影響弱于δd和δp，是影響大層間距蒙脫土是否剝離的重要因素。根據(jù)溶劑性質(zhì)不同，提出了有機鏈在濕態(tài)OMMT層間構(gòu)象的四種形態(tài):1）傾斜單層;2）垂直單層;3）錯位垂直雙層;4）剝離狀態(tài)。在不同類型溶劑中溶脹時，隨著插層劑添加量的增加，插層劑有機鏈在層間構(gòu)象的發(fā)展表現(xiàn)出不同的趨勢。宏觀溶脹研究結(jié)果表明，

5、插層劑溶解度參數(shù)和插層劑添加量是影響濕態(tài)OMMT溶脹率的更重要因素。
　　利用OMMT抑制膜溶脹，拓寬膜材料磺化度選擇范圍。選用中高磺化度(101％)SPPESK，制備了SPPESK/OMMT質(zhì)子交換膜。研究結(jié)果表明，OMMT的加入很好的抑制了SPPESK膜的溶脹，隨著OMMT含量增加，復合膜吸水率和溶脹率都顯著下降，添加2％ OMMT的復合質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導率達到0.143 S·cm-1，比具有相同溶脹率的SPPESK(82％)

6、膜質(zhì)子傳導率高出近83％，室溫甲醇滲透率為8.7×10-8 cm2·s-1，僅為Nafion115膜的二十六分之一。
　　為了進一步增加質(zhì)子交換膜電導率，設(shè)計了聚合物/水溶性聚合物/鈉基蒙脫土體系質(zhì)子交換膜，利用MMT和PVA交聯(lián)雙重作用抑制膜溶脹。首先制備了SPEEK/PVA復合膜，利用PVA交聯(lián)抑制膜溶脹，選用81％SPEEK為膜材料，添加30％PVA制備的復合膜質(zhì)子傳導率達到0.163 S·cm-1(80℃)，比具有相同溶脹

7、率的SPEEK(DS51％)膜提高104％，接近相同條件下Nafion115膜質(zhì)子傳導率（0.186 S·cm-1），且具有較低的溶脹率和甲醇滲透率;為了更進一步提高膜電導率，添加蒙脫土抑制溶脹，降低了PVA添加量。研究結(jié)果表明，添加20％PVA和1％MMT制備的SPEEK/PVA/MMT復合質(zhì)子交換膜在保證低溶脹率的前提下，質(zhì)子傳導率高達0.185 S·cm-1(80℃)，比具有相同溶脹率的SPEEK(DS51％)膜提高131％，和N