1. 研究目的与意义（文献综述）

随着石油、煤炭等不可再生资源的枯竭以及全球环境污染加剧，造成了威胁人们生活的两大严峻挑战，致使人们对于发展绿色清洁能源以及实现经济社会可持续发展的需求更加迫切^[1]。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种把燃料与氧化剂反应产生的化学能直接转化为电能的理想初级能源转化装置, 具有结构简单、安全性好、能量转换率高、环境污染小、噪音小等特点^[2,3]。 其中质子交换膜燃料电池的核心材料是质子交换膜(pem)，质子交换膜是一种选择通透性膜，它能够将燃料与氧气分隔开来，阻止电子传输, 防止阴极的氢气和阳极的氧气交叉渗透，同时又能够提供氢离子通道,传递质子^[4]。质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、双极板和密封条等组成。膜电极(mea)是指在表面涂敷有催化剂层(由催化剂、碳黑及粘结剂组成)的质子交换膜两侧加以多孔导电层构成的一种电极结构，多孔导电层主要是起到气体扩散层及集流器的作用^[5]。现如今，质子交换膜的主要研究方向有两个：一是低温(低于80℃)下，高湿度条件下的质子交换膜的研究；二是高温(100℃-200℃)，相对低湿度的条件下的质子交换膜的研究^[6]。

目前，在低温和高相对湿度的质子交换膜, 最成熟、使用最广泛的是聚全氟磺酸类质子交换膜,其典型代表包括杜邦公司的nafion膜^[7]等。自20世纪60年代中期开发以来，该类型质子交换膜仍是目前综合性能最佳的质子交换膜,在低温的条件下具有极高的机械强度以及较高的质子电导率；但是聚全氟磺酸类膜的质子导电性能依赖于膜的含水率，高温失水的情况下会导致膜的质子电导率迅速下降，严重影响电池性能；而且该类质子膜的阻醇性能欠佳，难以适用甲醇类燃料的使用。最重要的是其制备成本高，世界各国还在继续开发低成本，高性能的质子交换膜^[8,9]。磺化聚醚醚酮(speek)的玻璃化转变温度很高，在高温的条件下也具有很好的稳定性，兼具质子传导性和良好的力学性能，而且价格低廉，被认为是nafion最有前途的替代膜材料，但是在高温的条件下，遇到了与nafion膜相同的问题^[10,11]。

对于高温和低相对湿度的使用环境下，高温质子交换膜显示出比低温质子交换膜拥有更多的优异性能。当工作温度高于120℃以上时，可以简化pemfcs的水和热管理,并且能够有效利用pemfcs的废热,降低燃料气重整系统水蒸气的使用量，以及提供更多的催化剂选择,可以降低贵金属pt的使用量,以及提高电催化剂对co的耐受力, 降低对原料气纯度的要求^[12]。其中两性有机磷酸在高温以及低湿度的条件下也能够提供质子导体，因而在高温质子交换膜的研究中被广泛关注^[13]。有报道显示出通过反应制得的含膦酸基的硅氧聚合物膜在高温下具有比磺化聚合物膜更好的稳定性以及抗氧化性^[14]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1、基本内容

材料制备：以磺化度为60%的speek为膜基底材料，然后掺杂不同比例的磷酸硅烷制备复合膜。

材料表征：在红外光谱仪上收集4000cm-1和500cm-1之间的傅里叶变换红外(ftir)光谱。使用热重差示扫描量热法(tg-dsc)系统，在空气条件下以5℃/min的加热速率从室温至700℃进行热重差示扫描量热法(tg-dsc)。使用拉伸试验机在室温下在2mm/min的十字头速度下测量膜的拉伸强度。样品的宽度为10毫米，钳口之间的长度为30毫米。使用场发射扫描电子显微镜(zeiss ultra plus)进行膜的形态学表征。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献文献，完成英文翻译，明确本课题研究的内容及意义，完成开题报告。

第4-8周：按照设计的方案，制备相应的膦酸硅烷掺杂speek质子交换膜。

第9-11周：采用傅里叶变换红外、sem、tg-dsc、质子电导率等测试技术对膜的结构、物相、显微结构、电化学性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]鲁子鸣. 质子膜燃料电池的研发现状及发展探究[j]. 中国战略新兴产业, 2017 (04): 71-74.

[2]李广亮. 燃料电池中质子交换膜的发展和优化[j] .化工管理, 2017 (02): 48-49.

[3]许新龙, 顾一鸣, 张帆. 燃料电池质子交换膜研究进展与展望[j]. 高分子通报, 2017, 8(8): 62-66.