燃料电池是一种将燃料中化学能以电化学方式直接地转化为电能的能量转换装置，具有清洁、高效等优点。自1839年燃料电池问世以来，已发展出多种类型，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)除具有一般燃料电池的优点外，还具有能量密度高、启动迅速等特点，在车用动力电源以及分散式电站等方面具有广泛的应用前景。目前，PEMFC遇到的主要问题之一是其Pt催化剂在常温下抗CO中毒能力低，无法直接使用廉价的氢气重整气作为燃料，含10ppm CO的氢气即可使其性能大幅度降低。提高燃料电池运行温度到120～145℃可以显著提高Pt催化剂的CO耐受浓度，是彻底解决此问题的有效手段之一。但在这样的高温条件下，需要开发有别于传统Nation膜的高沸点非水系的新型电解质。　　离子液体具有良好的热稳定性、不易挥发且高电导等特点，被认为是一种可以实现PEMFC高温操作的非水电解质。目前，研究多集中在咪唑类离子液体，其传统合成方法被称为两步法。即以卤化二烷基咪唑为前驱体，与含有目标阴离子的无机盐在水、丙酮、乙腈等溶剂中进行直接离子交换获得目标离子液体。这种方法可在水溶液中有效地合成疏水性离子液体，而对于亲水性离子液体通常需要在有机溶剂中制备。根据化学平衡原理，副产物从反应体系中及时移除有利于化学反应正向进行。因此，有机溶剂中快速有效的离子交换要求反应物MY(M为金属离子，Y为目标阴离子)在溶剂中有较高的溶解度而反应副产物卤盐MX(X为卤素离子:Cl或Br)有较低溶解度。但是，多数无机盐前驱体在有机溶剂中的溶解度较低（小于1g)，导致第二步中的离子交换反应缺乏正向移动的有利条件，反应缓慢且不彻底。当反应副产物卤素盐MX的溶解度高于反应物MY的溶解度时，期望的离子交换反应不能发生。因此，传统两步法可合成的离子液体种类受到限制，不能合成一些有望用于燃料电池的离子液体。此外，传统两步法合成需要采用多种挥发性溶剂如丙酮、二氯甲烷、甲苯等，与离子液体的绿色理念不相符合。因此，探索快捷清洁的制备离子液体的方法是该领域的主要目标之一。　　基于以上现状，本文旨在研究燃料电池用咪唑类离子液体的绿色合成及性能研究，主要研究内容如下:　　(1)醇溶剂卤素-氢氧根交换法合成咪唑类离子液体　　根据溶解平衡理论，如能选择合适的溶剂与碱性反应物(MOH)，使反应物卤化二烷基咪唑（如[Emim]Br，作为前驱体）、MOH在该溶剂中溶解度都很高，而副产物MX在该溶剂中的溶解度很低，当卤化二烷基咪唑溶液与MOH溶液混合时，较高浓度的M+与X-将以沉淀形式析出，从而实现卤素与氢氧根的交换，获得二烷基咪唑碱溶液。再以含有目标阴离子的酸HY中和，即可获得目标离子液体[Emim]Y。　　根据以上设想，考察卤化二烷基咪唑盐、多种碱以及相应金属的卤盐在不同溶剂中的溶解度，发现采用乙醇作为溶剂和KOH作为碱性反应物可以满足上述要求。卤化二烷基咪唑与乙醇可以任意比例互溶。KOH在乙醇中的溶解度也较高，室温下为39 g。而反应产物KBr在乙醇中的溶解度只有0.46 g，溶度积常数Ksp仅为10-4。因而当卤代前驱体溶液与KOH溶液混合时，溶液中较高的卤素离子、钾离子的浓度积比溶度积常数高千倍以上。如式:[Rmim]+X-+K+OH→[Rmim]+OH+KX↓，根据溶度积规则，由于反应式左侧X-，K+处于过饱和状态，为KX从体系析出并获得[Rmim]OH溶液提供了有利的反应动力学条件。再以含有目标阴离子的酸中和所得碱性溶液，即可获得种类丰富的目标离子液体，突破了两步法合成离子液体种类的限制。　　相对于传统两步法，本文所采用的醇溶剂卤素-氢氧根交换法中M+与X-处于过饱和状态，为离子交换反应提供了有利的动力学条件，使得反应快速发生获得咪唑碱溶液。沉淀可以在两溶液混合的瞬间产生，且可以除去大部分卤素，获得卤素杂质含量较低的产物。实验证实这是一种有效的离子液体合成方法，至今未见其他研究组报道。　　(2)离子液体在燃料电池中的应用　　以上述方法合成的离子液体作为电解质，研究了一种典型的酸性咪唑类离子液体([Emim]HSO4)在质子交换膜燃料电池中的应用。结果表明，以离子液体作为电解质的燃料电池，可在高于100℃的温度下无加湿地运行，在110℃时最高功率密度为0.9 mW·cm-2，成功实现了燃料电池的高温运行。　　上述离子液体合成是以卤素盐为反应前驱物，导致产物中会有少量的卤素杂质残留。卤素杂质会与Pt发生络合反应，占据了Pt表面氧还原反应活性位，从而降低Pt催化活性，对燃料电池产生不利影响。为消除这种影响，有必要合成无卤素杂质的离子液体。　　(3)无卤素杂质咪唑类离子液体的合成　　采用无卤素的二烷基咪唑烷基硫酸盐[R1R2im]EtOSO3代替卤化二烷基咪唑作为反应前驱体，避免了卤素杂质的引入，合成了无卤素杂质咪唑类离子液体。实验结果证明，只需要烷基咪唑与硫酸二烷基酯低温（低于20℃）反应即可获得二烷基咪唑烷基硫酸盐，它易溶于乙醇，可以按照醇溶剂法合成[R1R2im]OH溶液，再以酸碱中和法合成多种无卤素杂质离子液体。　　虽然实验过程与(1)相似，但由于合成过程没有引入含卤素反应物，因而产物完全避免了卤素杂质的污染，消除了卤素杂质的不利影响。由于[R1R2im]OSO3R1的制备比[Rmim]X的制备反应速率更高，因此本方法的全部反应过程比采用[Rmim]X作前驱体所需时间更短。　　(4)离子液体对燃料电池催化剂影响的研究　　采用循环伏安法、旋转圆盘电极法以及全电池试验的对比试验研究了离子液体[Emim]HSO4对燃料电池催化剂Pt/C的影响。结果表明当离子液体含有溴杂质时，Pt/C催化剂的电活性面积、氧还原反应催化能力以及电池性能都会明显降低，这是因为溴离子能强烈吸附在Pt表面，占据Pt表面的氧还原活性位，导致催化性能下降。当不含溴杂质时，离子液体只显著降低催化剂的电活性面积，而对氧还原反应催化活性并无明显影响。Tafel曲线斜率表明含溴杂质的离子液体导致氧还原反应活化能升高，不利于氧还原反应。Levich曲线拟合也表明溴杂质导致氧还原过程中电子转移数减少，从而降低了氧还原反应效率。　　此外，以无溴杂质离子液体[Emim]HSO4为电解质组装测试了燃料电池，实现了其在168℃高温下的放电。