1、隨著能源資源短缺和環(huán)境污染問題的日益加劇，開發(fā)新型清潔能源技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)的重要議題。質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC），是一種將燃料的化學(xué)能經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的能源裝置，因具有轉(zhuǎn)化效率高、綠色無污染等特點，被視為一種極具發(fā)展前景的清潔能源技術(shù)。質(zhì)子交換膜（Proton exchange membrane,PEM）是PEMFC的核心部件之一，其性能高低直接決

2、定了燃料電池的工作性能。目前商業(yè)化的PEM主要為全氟磺酸類聚合物膜，這類膜具有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但是其燃料滲透嚴(yán)重，且在高溫低濕條件下質(zhì)子傳導(dǎo)能力急劇下降，導(dǎo)致電池性能衰減。因此，亟需開發(fā)出新型高性能的PEM以促進燃料電池技術(shù)的進一步發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。
　　本文結(jié)合有機和無機質(zhì)子傳導(dǎo)性材料的各自優(yōu)勢，基于雜化思想，通過向高分子聚合物膜基質(zhì)中引入新型的無機質(zhì)子導(dǎo)體材料（如功能化改性的鋰離子篩或MXene等），制備

3、有機無機雜化質(zhì)子交換膜。通過向聚合物膜中引入新的質(zhì)子傳遞位點，同時借助于在兩相界面處位點的協(xié)同效應(yīng)，強化雜化膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，并探究雜化膜界面相互作用對聚合物鏈段運動性質(zhì)和質(zhì)子傳遞化學(xué)環(huán)境的影響，初步獲得雜化膜質(zhì)子傳導(dǎo)過程強化的方法與理論，為拓展相關(guān)無機材料的應(yīng)用研究提供新思路。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)論概述如下：
　?。?）基于表面改性的鋰離子篩制備雜化膜。酸處理的尖晶石結(jié)構(gòu)鋰離子篩（HMOs）內(nèi)部具有可供質(zhì)子傳輸?shù)奶囟ㄟx擇性通道。

4、首先選取HMOs作為質(zhì)子傳導(dǎo)性無機材料，通過表面改性引入磺酸基團合成SHMOs，而后將其加入聚合物基質(zhì)(CS)中制備雜化膜。利用SHMOs內(nèi)部的H+傳輸通道和兩相界面處酸-堿對載體位點形成的雙連續(xù)質(zhì)子傳導(dǎo)路徑，增強膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。結(jié)果表明：在25℃和有水條件下，填充12％磺酸聚合物刷改性的HMOs雜化膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率相比于CS提高了91%。
　?。?）基于二維Ti3C2Tx材料制備雜化膜。MXene是一類新型二維過渡金屬碳化物或碳

5、氮化物，具有類似于石墨烯的納米片層結(jié)構(gòu)，表面含有豐富的終端功能基團（–OH，–F和–O–）。本研究選取Ti3C2Tx作為MXene的典型代表材料，將其填充到常規(guī)聚合物基質(zhì)（包括Nafion，SPEEK和CS）中，通過流延法制備雜化膜。利用 Ti3C2Tx表面的羥基與高分子鏈段上的磺酸基或氨基形成豐富的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，在兩相界面處構(gòu)建出長程連續(xù)的質(zhì)子傳遞通道，提高雜化膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。結(jié)果顯示，在有水和無水條件下，相比于三種類型的聚合物空白膜而

6、言，相應(yīng)的雜化膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率均得到顯著提升，同時，呈現(xiàn)出增強的氫氧燃料電池性能。
　?。?）基于表面改性的Ti3C2Tx制備雜化膜。在上述研究的基礎(chǔ)上，通過沉淀蒸餾共聚合的方法，在Ti3C2Tx表面接枝富含磺酸基團的聚合物刷，制備得到Ti3C2Tx-SO3H，而后將其填充到聚合物基質(zhì)（包括SPEEK和CS）中制備雜化膜。Ti3C2Tx-SO3H能夠向雜化膜內(nèi)部引入高效質(zhì)子跳躍位點，同時構(gòu)建出長程連續(xù)的寬暢質(zhì)子傳遞通道，顯著提升膜的