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目前，在工业化发展中过度使用化石燃料使得人类面临环境（CO2排放量过多）和能源（不可再生能源缺乏）两大危机。而电化学技术在解决这两大危机方面具有非凡的潜力。一方面通过电化学还原将CO2转化为高附加值产品（甲酸、甲醇等）有效缓解环境问题的同时，减轻能源危机，另一方面通过锌-空气电池将化学能转化为电能发展新型能源形式。而在两种电化学方法中，离子交换膜（电解质膜）均具有重要的作用。其中在CO2电化学还原中由于阴离子交换膜（AEMs）比阳离子膜（CEMs）具有更高甲酸选择性，因而具有更高的研究价值；而在锌-空气电池中，AEMs相较于碱性液体电解质（ASE）和碱性凝胶电解质（AGE）能够实现安全无污染、高能量密度且能够便携式的目的。因此本论文致力于开发环保成本低且具有高性能的AEM。
本论文以常用于生物医学领域的细菌纤维素膜（BC）作为AEM骨架，引入含有季铵基团的聚季铵盐PQ-6（PDDA）制备新型AEM——BC-PDDA-OH-膜及PVA-PDDA-BC-OH-膜（添加PVA所制备）。本文探索和研究制备过程中交联条件和KOH浓度条件以及不同BC∶PDDA质量比对BC-PDDA-OH-膜的离子导电性、微观和宏观形貌结构、含水率、耐碱性稳定性以及机械稳定性等物理化学性能的影响；并且进一步研究不同BC∶PDDA质量比的BC-PDDA-OH-膜应用于CO2电化学还原的性能；同时考察不同PVA分子量对PVA-PDDA-BC-OH-膜的离子导电性、含水率、耐碱性稳定性和拉伸强度等物理化学性能的影响以及最佳PVA-PDDA-BC-OH-膜应用于CO2电化学还原和柔性锌-空气电池的电化学性能。主要结论如下：
1)经由简单浸渍、化学交联及离子交换合成BC-PDDA-OH-膜。具有不同BC∶PDDA质量比的BC-PDDA-OH-膜成功进行交联和离子交换，且在膜内形成致密三维多孔结构。此外BC-PDDA-OH-膜展现了良好的OH-迁移速率（tion=0.59-0.77）、OH-交换容量（IEC=0.88-1.26mequiv g-1）、柔韧性（断裂伸长率达到21.92%）和热稳定性（BC-PDDA-OH-膜在180℃时开始分解）。同时在0.5M KHCO3和强碱0.5M KOH溶液中浸渍720h后，σOH-仍保持有28.5mS cm-1和17.89mS cm-1。
2)BC-PDDA-OH-膜作为CO2电化学还原（ERC）反应膈膜，在0.5M KHCO3和0.5M KOH不同电解液中，对ERC电化学还原产甲酸的选择性不同，但均表现出良好的电化学性能。在0.5M KHCO3电解液中控制-0.96V（vs.RHE），BC-PDDA-OH-膜质量比BC∶PDDA=1∶0.5时，表现出良好的物理化学性能。其甲酸法拉第效率FEHCOO-最佳为50.84%，且连续电解20h后FEHCOO-仅衰减8.85%；而在0.5M KOH电解液中控制-1.006V（vs.RHE），BC-PDDA-OH-膜质量比BC∶PDDA=1∶0.25时，表现出最佳的甲酸法拉第效率FEHCOO-（50.92%），且连续电解20h后FEHCOO-仅衰减6.82%。以上两者电化学性能均优于商业化酸性Nafion膜和商业化碱性A901膜。
3)通过PVA-PDDA溶液包覆法对BC-PDDA-OH-膜进行改性成功制备了PVA-PDDA-BC-OH-膜。相比于BC-PDDA-OH-膜具有更薄的厚度（0.115mm），其内部表现为双骨架三维多孔结构。随PVA分子量的增大，膜内部发生堆叠，进一步影响其σOH-及电化学应用。其中低PVA分子量的PVA-PDDA-BC-OH-膜（LPVA-PDDA-BC）表现出良好的σOH-（室温下72.95mS cm-1）、OH-迁移速率（0.86）、离子交换容量（IEC=1.52mequiv g-1）、热稳定性（220℃开始降解）、机械稳定性（5.97MPa）以及碱性稳定性和抗氧化稳定性。将其应用于ERC，在0.5M KHCO3中控制-1.06V（vs.RHE），表现为高电流密度（47.44mA cm-2）和高甲酸法拉第效率FEHCOO-（67.89%）。经过连续电解20h后FEHCOO-仅衰减7.09%；进一步将其组装全固态LPVA-PDDA-BC膜型柔性锌-空气电池（F-ZAB），相比于A901膜型，LPVA-PDDA-BC膜型F-ZAB具有更加良好的开路电压（1.42V）、发电功率密度（130.3mW cm-2）、恒流充放电（2.36h）及放电性能（3.18h）。LPVA-PDDA-BC膜在ERC及F-ZAB中表现出的电化学性能均优于商业膜。
本论文以常用于生物医学领域的细菌纤维素膜（BC）作为AEM骨架，引入含有季铵基团的聚季铵盐PQ-6（PDDA）制备新型AEM——BC-PDDA-OH-膜及PVA-PDDA-BC-OH-膜（添加PVA所制备）。本文探索和研究制备过程中交联条件和KOH浓度条件以及不同BC∶PDDA质量比对BC-PDDA-OH-膜的离子导电性、微观和宏观形貌结构、含水率、耐碱性稳定性以及机械稳定性等物理化学性能的影响；并且进一步研究不同BC∶PDDA质量比的BC-PDDA-OH-膜应用于CO2电化学还原的性能；同时考察不同PVA分子量对PVA-PDDA-BC-OH-膜的离子导电性、含水率、耐碱性稳定性和拉伸强度等物理化学性能的影响以及最佳PVA-PDDA-BC-OH-膜应用于CO2电化学还原和柔性锌-空气电池的电化学性能。主要结论如下：
1)经由简单浸渍、化学交联及离子交换合成BC-PDDA-OH-膜。具有不同BC∶PDDA质量比的BC-PDDA-OH-膜成功进行交联和离子交换，且在膜内形成致密三维多孔结构。此外BC-PDDA-OH-膜展现了良好的OH-迁移速率（tion=0.59-0.77）、OH-交换容量（IEC=0.88-1.26mequiv g-1）、柔韧性（断裂伸长率达到21.92%）和热稳定性（BC-PDDA-OH-膜在180℃时开始分解）。同时在0.5M KHCO3和强碱0.5M KOH溶液中浸渍720h后，σOH-仍保持有28.5mS cm-1和17.89mS cm-1。
2)BC-PDDA-OH-膜作为CO2电化学还原（ERC）反应膈膜，在0.5M KHCO3和0.5M KOH不同电解液中，对ERC电化学还原产甲酸的选择性不同，但均表现出良好的电化学性能。在0.5M KHCO3电解液中控制-0.96V（vs.RHE），BC-PDDA-OH-膜质量比BC∶PDDA=1∶0.5时，表现出良好的物理化学性能。其甲酸法拉第效率FEHCOO-最佳为50.84%，且连续电解20h后FEHCOO-仅衰减8.85%；而在0.5M KOH电解液中控制-1.006V（vs.RHE），BC-PDDA-OH-膜质量比BC∶PDDA=1∶0.25时，表现出最佳的甲酸法拉第效率FEHCOO-（50.92%），且连续电解20h后FEHCOO-仅衰减6.82%。以上两者电化学性能均优于商业化酸性Nafion膜和商业化碱性A901膜。
3)通过PVA-PDDA溶液包覆法对BC-PDDA-OH-膜进行改性成功制备了PVA-PDDA-BC-OH-膜。相比于BC-PDDA-OH-膜具有更薄的厚度（0.115mm），其内部表现为双骨架三维多孔结构。随PVA分子量的增大，膜内部发生堆叠，进一步影响其σOH-及电化学应用。其中低PVA分子量的PVA-PDDA-BC-OH-膜（LPVA-PDDA-BC）表现出良好的σOH-（室温下72.95mS cm-1）、OH-迁移速率（0.86）、离子交换容量（IEC=1.52mequiv g-1）、热稳定性（220℃开始降解）、机械稳定性（5.97MPa）以及碱性稳定性和抗氧化稳定性。将其应用于ERC，在0.5M KHCO3中控制-1.06V（vs.RHE），表现为高电流密度（47.44mA cm-2）和高甲酸法拉第效率FEHCOO-（67.89%）。经过连续电解20h后FEHCOO-仅衰减7.09%；进一步将其组装全固态LPVA-PDDA-BC膜型柔性锌-空气电池（F-ZAB），相比于A901膜型，LPVA-PDDA-BC膜型F-ZAB具有更加良好的开路电压（1.42V）、发电功率密度（130.3mW cm-2）、恒流充放电（2.36h）及放电性能（3.18h）。LPVA-PDDA-BC膜在ERC及F-ZAB中表现出的电化学性能均优于商业膜。