由于各个领域对于新能源的探索,以及对新材料的关注和开发,质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,简写为PEMFC)作为燃料电池分类的一种而备受关注。其中作为PEMFC的核心部分,质子交换膜(Proton exchange membrane,简写为PEM)的性能则显得尤为重要,它关乎着PEMFC的整体应用以及实际寿命。现如今统计,市场上全氟磺酸膜中的Nafion?膜在PEM应用中最为广泛,曾一度垄断市场应用。但是由于该膜的两个致命问题,一是成本较高;二是在高温下操作时,容易出现溶胀现象并导致膜破裂使得质子电导率下降。这使得PEMFC的使用寿命缩短,应用成本提高。氧化石墨烯(Graphene oxide,简写为GO)作为二维层状结构材料石墨烯的衍生物,经过氧化反应之后表面产生大量含氧官能团,它们的存在为其表面改性或者是共价官能化提供了充足的反应活性位点。同时GO因具有卓越的化学和热稳定性以及突出的机械强度在材料界备受关注。但是当GO作为纳米填料被大量掺入时,由于较强的范德华力依然避免不了纳米填料的团聚行为。通过对GO进行官能团改性,提高在实际应用中的分散程度,改善原始材料存在的问题,最大可能发挥其原有优势,有利于其大规模应用。本文通过对PEM的基体膜材料进行改性,掺杂GO纳米填料来改善PEM的性能,以提高它的整体实用性。在此基础上,我们实验室通过对成本廉价的聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,简写为PEEK)进行了实验探究,发现对其进行强酸磺化处理得到的磺化物磺化聚醚醚酮(SPEEK)可作为PEM的基体膜,添加多种改性填料,研究填料与基体膜的相互作用原理。SPEEK作为一种非氟化的磺化聚合物质子交换膜基底,在长时间使用时依然能保持较高机械强度。相比较之Nafion?膜,SPEEK具有较低的成本以及较强的吸水性。但是,SPEEK作为PEM材料有一个难以克服的缺点,它在实际应用时,导电性能与Nafion?膜仍然相差甚远。所以为了增强其导电能力需要对SPEEK进行改性,来改变SPEEK本身的分子内部结构以及微观结构,改善质子通道,增强质子传导性。本文的研究目的及工作是,获得成本较低并且性能优异的PEM。采用三种方法开发功能化改性氧化石墨烯(GO)作为纳米填料,然后将改性GO纳米材料掺杂至SPEEK基膜中,制备一系列功能化GO增强的复合PEM,并对改性材料以及复合膜进行了相关的表征和分析。(1)采用改性材料与基底膜材料进行酸-碱复合的方法。将硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)通过硅烷化以及缩聚反应接枝在GO上,制备了氨基功能化氧化石墨烯(AGO)纳米颗粒。然后通过溶液浇铸法将不同含量的纳米复合材料添加至SPEEK/DMF溶液中制备共混膜。采用SEM表征复合膜微观形貌结构,结果发现氨基功能化的GO在聚合膜内不易团聚,这是因为GO的胺化提供了纳米相分离,减少了AGO在SPEEK聚合物基质中的堆叠聚集。通过阻抗测试结果发现,添加2%AGO填料的复合膜的质子电导率在较高温度下得到改善,120℃时,质子电导率达到11.32 m S/cm,较原始SPEEK膜提高2.45倍,这是由于AGO与SPEEK之间产生了酸碱对作用,增强了质子传导能力。(2)采用改性材料与基底膜材料有机-无机复合改性。利用SiO2表面大量的亲水基团,本文将吸湿性无机粒子SiO2接枝到GO上,然后将SiO2功能化GO添加至SPEEK基底膜中制备复合膜。依赖SiO2纳米颗粒提高复合膜的保水性能,达到提高电池工作温度的目的,确保长时间工作时依然具有高的质子传导性。电导率测试发现,当Si O2-GO纳米颗粒含量小于2%时,复合膜的电导率在各个测试温度下都高于原始SPEEK膜。(3)采用共轭效应改性添加材料。氮原子的孤对电子通过与GO形成一种共轭结构,进而提高GO的电子特性。本文以氨水(28%)为氮源通过水热合成法将氮原子掺杂至GO中,制备氮掺杂氧化石墨烯(NGO)。然后将其掺杂至SPEEK中制备复合膜。通过测试表征所得膜材料的相关性能,分析结果发现,SPEEK/XNGO获得了良好的热稳定性和机械稳定性,并且在100%相对湿度(RH)和120℃的情况下,负载1%含量NGO的复合膜质子电导率是原始SPEEK膜的3.1倍。功能化氧化石墨烯增强的复合质子交换膜均达到了预期的效果。