离子交换膜是膜状的聚电解质,由于其聚合物主链上共价键结合的荷正电或荷负电功能基团的存在,可选择性的传导阴离子和阳离子。过去的几十年,离子膜被广泛应用于各种化工生产过程中,例如电渗析脱盐、化工废水处理、氯碱工业生产等。近些年来,随着化石能源的日益枯竭,基于离子膜的能量转换与存储,如反向电渗析、燃料电池、微生物燃料电池、液流电池等越来越受到人们的广泛关注。其中离子膜燃料电池具有绿色、能量密度高、燃料来源丰富等特点是目前的研究热点。离子膜作为燃料电池的关键组成部分,其离子传导性能是衡量其在燃料电池中应用的最重要参数之一。目前为止,大部分的燃料电池用离子膜均以共价键形式直接将离子交换基团链接在聚合物主链上或悬垂在侧链上,离子传导率严重依赖于离子交换基团的数量,即离子交换容量(IEC)。一般规律是,离子膜的IEC越高,其电导率越高,但是IEC的升高又伴随着膜含水和溶胀的升高,继而影响膜的稳定性。针对这一"trade-off"效应,本文开展“离子穿梭型”离子膜制备及离子传导性能研究,具体采用基于冠醚的主客体化学在聚合物主链中引入轮烷结构,在pH值和温度响应下含离子交换基团侧链在膜内局部穿梭(轮烷内),获得低IEC高离子电导率的离子交换膜。轮烷一词来源于拉丁语,意为轮和轴,通过非共价键将一个线性部分和环状部分组合成一个螺纹结构的混合物。由于两个组成部分间是通过氢键作用结合在一起,因此通过外部刺激,消除掉主客体间的相互作用,两个组成部分又会相对运动,正是受到这种“轮”与“轴”特有性能的启发,本文考虑在离子交换膜中引入轮烷结构。通过外部刺激,促使侧链在轮烷中穿梭,提高离子膜的离子传导率。离子交换膜内传输的离子基本有三种,质子、氢氧根离子、碳酸氢根离子,因此本文分别合成了这三种离子类型的离子交换膜,研究其结构与离子传导性能间的关系。(1)首先利用聚酰基化反应合成了一种主链中含有冠醚的高分子结构,同时合成出带有冠醚识别位点二级铵盐的小分子侧链化合物。通过冠醚与铵盐间的特异性识别,将侧链小分子穿入到冠醚中,利用1-萘酚-3-磺酸钠盐进行封端,制备出离子穿梭型质子交换膜。研究发现,此类质子交换膜在IEC=0.78时,85℃时离子电导率高达280mS/cm。通过外部刺激消除掉主客体间的氢键作用,离子电导率变化明显,并且由于离子膜的IEC比较低,膜的稳定性对比具有同样电导率的质子膜优势明显。(2)同样基于冠醚与铵盐间的特异性识别作用,在高分子骨架内引入侧链分子,并且使用三异辛胺对其进行封端,从而制备得到离子穿梭型阴离子交换膜本章着重测试了离子膜的氢氧根型电导率,结果显示IEC为0.68的阴离子交换膜,在90℃时的氢氧根型电导率高达189mS/cm,与现有的氧氧根型离子交换膜相比,优势明显。(3)在第一章工作的基础上,使用三苯基膦作为封端。本章着重测试了此膜的碳酸氢根型的离子电导率。结果显示,IEC为1.05的季膦膜,在85℃时的碳酸氢根型电导率高达110mS/cm,而且其同样具有温度和PH响应性,并且由于碳酸氢根型离子膜在使用过程中比较稳定,使得此种阴离子交换膜具有更大的应用前景。总体来说,本文首次将主客体识别化学引入到离子膜的制备中,利用非共价键在高分子主链中引入侧链交换基团,制备了“离子穿梭”型离子交换膜。与传统的以共价键形式接枝侧链的离子膜相比,该膜侧链在主链特定位置固定的同时,又能够在一定范围内穿梭。这一特殊的“侧链穿梭”诱导离子传导的概念,将会为研究膜内离子传导机理提供理论基础,同时也可为开发燃料电池用高性能离子传导膜提供新的研究思路。