质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为新型可再生能源转化设备的代表,在能源短缺与环境问题日益严峻的今天引起了越来越多的关注。质子交换膜作为PEMFC的核心组件,其性能与燃料电池的输出功率和使用寿命密切相关。但目前商业应用最广泛的Nafion具有成本高,固有的高水合依赖性和易产生环境污染等缺点。因此,设计合成结构明确且具有良好质子传导性能的新材料替代Nafion具有重要意义。过渡金属氧化物及其簇合物可提供丰富的质子载体且具有配位能力,在质子导体的设计合成中占据重要地位。首先,由于多金属钼氧族簇具有可调控的结构,可微观设计骨架结构与质子传输通道以实现高效质子传输。其次,铌羟基氧化物具有丰富的羟基结构,良好的热稳定性和耐水性,可实现高效质子传导性能并有效避免Nafion在高于80℃时分解的问题。因此,本文设计合成了系列过渡金属钼氧族簇和铌氧化物复合材料,探究了其结构特点与质子传导性能,并研究结构和性能之间的关系。1.利用亲电阳离子[Mo₂O₂S₂]²⁺为前驱体与内消旋-2,3-二巯基丁二酸（C₄H₆O₄S₂,简写为m-dmsa）相互作用,制备了一例新型环状钼氧硫簇合物:[N（CH₃）₄]K₅H₂[（Mo₂O₂S₂）₄（m-dmsa）₄]·40H₂O,记为化合物1。化合物具有由四个[Mo₂O₂S₂]²⁺部分和四个桥接m-dmsa^4-配体组成的方形金字塔形的环状结构,且具有独特的孔道和大量的活性氧位点。随后研究了化合物1的质子传导性质并初步探讨了其质子传导机理,交流阻抗分析显示,该钼氧硫簇合物的质子传导率在55℃,97%RH条件下能够达到7.06×10^-3S cm^-1,并遵循运载机理。2.以三乙胺作为有机模板,通过水热法合成了一种基于{Mo₆O₁₅（PO₄）₄}结构单元的新型钼氧簇合物:[N（CH₂CH₃）₃]₆[H₃Co_0.5Mo₆O₁₅（PO₄）₄]₂·7H₂O,记为化合物2。化合物2包含了经典的0维二聚体簇{H₃Co_0.5Mo₆O₁₅（PO₄）₄}₂,配位水分子和作为导向剂的三乙胺分子。二聚体簇{H₃Co_0.5Mo₆O₁₅（PO₄）₄}₂表面的磷酸基团和氧原子为质子跳跃提供了活性位点。同时,多酸强亲水性能使化合物2吸收大量水分子作为质子载体,并与磷酸基团形成氢键网络,以缩短质子传输路径,使簇合物在55℃,97%RH的条件下能达到5.20×10^-2S cm^-1的质子传导率。3.选取五氯化铌（NbCl₅）与植酸（phytic acid,PA）,通过简单的水解-凝胶法合成了一种新型纳米复合材料NbO₂（OH）-PA,记为Nb-PA。五氯化铌水解后形成的铌羟基氧化物（NbO₂（OH））所具有的多羟基结构与植酸上大量的磷酸基团能够作为质子跳跃位点,同时与水分子形成连续的氢键网络,使材料在85℃,97%RH下表现出了1.35×10^-1S cm^-1的高质子传导率。将Nb-PA与磺化聚醚醚酮（SPEEK）复合,制备了SPEEK-x Nb-PA系列质子交换复合膜,复合膜表现出优异的质子传导性能,在80℃,100%RH下具有0.17 S cm^-1的质子传导率。