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碱性聚电解质(APE)是一类新材料,有望使电化学能量转化器件从根本上摆脱对贵金属催化剂的依赖。2012年的最新研究发现,在APE主链上近程接枝阳离子官能团之后,会导致主链上的极性基团容易受到氢氧根的进攻,使其主链化学稳定性显著下降,直接影响燃料电池的工作寿命,这是APE研发面临的新挑战。本论文针对如何提高APE的主链稳定性进行了一系列较为系统的研究,主要研究进展如下:1.对四种不同结构的芳环类主链(聚砜、聚芳砜、聚醚醚酮和聚苯醚)进行了功能化改性,通过控制功能化基团的接枝度,可以得到不同季铵根接枝度的碱性聚电解质。比较相同离子交换容量(IEC)的季铵化聚砜(QAPS)、季铵化聚芳砜(QAPPSU)、季铵化聚醚醚酮(QAPEEK)和季铵化聚苯醚(QAPPO)在80℃、1mol/L的KOH溶液中主链降解情况,30天的测试结果显示,IEC=1.03mmol/g 的 QAPS 质量损失接近 50%,IEC=1.02mmol/g的QAPPSU质量损失为33%,IEC = 1.35 mmol/g的QAPPO质量损失为28%,IEC = 0.91mmol/g的QAPEEK质量损失只有8%,不接枝任何基团的聚合物主链质量损失均不超过5%,该结果表明极性基团的引入会导致原本稳定的碱性聚合物的主链变得容易受到氢氧根的进攻,且主链极性基团越多,主链越不稳定,其中QAPEEK因为含有交联结构,故主链稳定性好。2.设计并合成了基于聚砜主链、聚芳砜主链以及聚苯醚主链的Cx-aQAPS、Cx-aQAPPSU以及Cx-aQAPPO三种自聚集型的碱性聚电解质。引入憎水保护基的三种自聚集型材料相较于相同离子交换容量的阳离子短程接枝在主链上的聚电解质,主链化学稳定性均有了大幅度的提升,30天稳定性测试结束后,主链质量的损失均不超过10%,接近不加任何修饰的聚合物材料的水平,结果表明,降低氢氧根与主链接触的机会是一种有效提高主链化学稳定性的方法。3.基于聚砜主链、聚芳砜主链以及聚苯醚主链,设计并合成了一系列阳离子远离主链的季铵化聚电解质pQAPS、pQAPPSU以及pQAPPO。将这三种结构与近程接枝阳离子的碱性聚电解质QAPS、QAPPSU和QAPPO进行稳定性测试的比较,结果显示,p型季铵化聚电解质的主链稳定性大幅提高,30天测试结束后,质量损失均在8%左右。4.设计并合成了阳离子和聚砜主链分别被1、3、5和7个原子隔离的季铵化聚电解质,分别为 QAPS、QAdalPS、pQAPS 和pQAdalPS。比较了 QAPS(IEC=1.00 mmol/g)、QAdalPS(IEC = 0.99 mmol/g)、pQAPS(IEC = 1.95 mmol/g)和pQAdalPS(IEC = 1.91 mmol/g)的质量损失随稳定性测量天数的变化情况,.30天稳定性测试结束后,阳离子距离主链最近的QAPS的质量损失约为45%,阳离子距离聚砜主链3个原子距离的QAdalPS,质量损失约为25%,阳离子距离聚砜主链5个原子距离的pQAPS的质量损失不超过10%,阳离子距离聚砜主链7个原子距离的pQAdalPS,质量损失约为15%,阳离子距离聚砜主链5个原子距离的pQAPS具有最佳的主链稳定性。该结果说明,阳离子和主链的距离达到5个原子之后,诱导效应几乎不起作用。与此同时,离子基团的聚集,材料产生的微观相分离模式对主链稳定性的影响开始变得明显。5.由于以上针对提高主链稳定性的结构设计大多会出现不同程度的微观相分离,导致聚电解质机械性能差,给材料的实际应用带来障碍,因此合成了基于聚苯醚主链的长链多阳离子型的交联剂交联的季铵化聚电解质膜x(QH)3QPPO,该材料与单纯使用N,N,N’,N’-四甲基-1,6-己二胺(TMHDA)作为交联剂合成的x(QH)QPPO相比,具有更高的离子电导率、化学稳定性和机械稳定性。80℃、IEC = 3.59 mmol/g的x(QH)3QPPO-40的离子电导率为110.2mS/cm,溶胀率为25.0%,30天的稳定性测试结束后,该材料的IEC和氢氧根离子电导率分别只损失22%和25%,室温及100%相对湿度下,其抗拉强度为18.5 MPa,断裂伸长率为34.4%,60℃时最高放电功率密度为0.302 W/cm2,几乎是季铵化聚苯醚QPPO-40最大放电功率密度的3倍。