21世紀(jì)，能源與環(huán)境問題備受關(guān)注。傳統(tǒng)的化石能源如石油等資源日漸枯竭，人類面臨著能源危機(jī)；與此同時(shí)，其燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體和其他污染物，這對(duì)環(huán)境及氣候產(chǎn)生了破壞作用。

正是由于能源資源的過度開發(fā)，以及大規(guī)模消耗，使得上對(duì)清潔和能源的需求不斷增長。尋求一種可重復(fù)利用，對(duì)環(huán)境友好且能源轉(zhuǎn)換效率高的新能源技術(shù)是急需解決的問題，新能源產(chǎn)業(yè)的研究也得到了各國政府大量的政策性扶持和財(cái)政支出。

 燃料電池被認(rèn)為是有前景的環(huán)保電源和常規(guī)化石燃料的替代品。

作為一種具有巨大潛力的新能源，燃料電池是一種、清潔的發(fā)電裝置，可以不斷地通過外界輸入燃料，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能并持續(xù)向外供電，它還可以緩解能源危機(jī)、緩解電力建設(shè)、減小環(huán)境污染，并且是電力市場(chǎng)發(fā)展和國防安全等供電保障的需要，因此，有必要發(fā)展其應(yīng)用。

 19 世紀(jì)英國法官和科學(xué)家威廉·羅伯特·格羅夫的工作是燃料電池的起源，格羅夫進(jìn)行的電解實(shí)驗(yàn)被人們稱為燃枓電池的個(gè)裝置。中國的燃料電池研究始于 1958 年，MCFC 的研究早開始于原電子工業(yè)部天津電源研究所。

20 世紀(jì) 70 年代，燃料電池在中國的研究曾在航天事業(yè)的推動(dòng)下出現(xiàn)次高潮，然而由于各種原因，許多研究在 20 世紀(jì) 70 年代末就止步不前了，這成為中國的燃料電池技術(shù)與*水平差距較大的直接因素。

20 世紀(jì) 90 年代初，迅速發(fā)展起來的民用燃料電池，推動(dòng)了中國燃料電池的研究發(fā)展。

1、 燃料電池

燃料電池是一種不斷輸入燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，燃料通常為甲醇、乙醇、純氫氣、天然氣及汽油等。

離子交換膜燃料電池中，以氫氧為燃料的電池常見，通過特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水。

這一過程的燃料廉價(jià)，化學(xué)反應(yīng)不存在危險(xiǎn)，二氧化碳排放量比一般方法低很多，生成的產(chǎn)物水無害，是一種低污染性的能源，這是現(xiàn)今其他動(dòng)力來源*的。

目前，計(jì)算機(jī)和汽車企業(yè)開始著力于開發(fā)燃料電池以替代傳統(tǒng)的電池電源，汽車領(lǐng)域中燃料電池的應(yīng)用，已成為能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。

作為一種能量轉(zhuǎn)化裝置，燃料電池是按照原電池工作原理，直接將燃料和氧化劑中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，工作原理如圖 1 所示。

燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路 4 部分組成，其陽極和陰極分別通入燃料氣和氧氣（空氣），陽極上燃料氣放出電子，外電路傳導(dǎo)電子到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子，在電場(chǎng)作用下，離子通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽極上再與燃料氣進(jìn)行反應(yīng)，后形成回路產(chǎn)生電。

與此同時(shí)，因?yàn)槿剂献陨淼姆磻?yīng)及電池存在的內(nèi)阻，燃料電池也要排出一定的熱量，以保持電池恒定的工作溫度。從外表上看像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能「儲(chǔ)電」而是一個(gè)「發(fā)電廠」。

其中，陰陽極不僅可以傳導(dǎo)電子，還能作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。為便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物的排出，兩極往往采用多孔結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)則主要起到傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用，一般情況下為致密結(jié)構(gòu)。

燃料電池作為一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，僅僅是將存儲(chǔ)于燃料物質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能 [7]。從原則上講，只要接連不斷地供給化學(xué)燃料，燃料電池就可以持續(xù)不斷的發(fā)電，這是繼核電、水力、火力之后的第 4 代發(fā)電技術(shù)。

燃料電池成為國內(nèi)外企業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，這主要是源于它自身的優(yōu)點(diǎn)：

• 能量轉(zhuǎn)化效率高；

• 燃料選擇范圍廣；

• 清潔、污染少；

• 噪聲低；

• 比能量高、可靠性強(qiáng)；

• 負(fù)荷響應(yīng)快，具有*的適用能力

盡管燃料電池?fù)碛腥绱硕辔说膬?yōu)勢(shì)，可它在運(yùn)行推廣過程中仍然有一些不足，主要存在的問題是：

• 成本較高；

• 功率密度仍需提高；

• 燃料的存儲(chǔ)；

• 對(duì)于環(huán)境毒性比較敏感；

• 有限的工作溫度兼容性。

目前，應(yīng)用得較多是質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是近些年快速發(fā)展起來的新一代燃料電池，具有較高的能量效率和能量密度、體積重量小、啟動(dòng)速度快、運(yùn)行安全可靠、應(yīng)用為廣泛等優(yōu)點(diǎn)，特別是在汽車方面應(yīng)用較為深廣，PEMFC 是正在開發(fā)的商用燃料電池。

而早參與實(shí)際應(yīng)用的燃料電池是堿性燃料電池（AFC），在 Apollo 飛船中應(yīng)用的 AFC 不僅為飛船提供了動(dòng)力，還為宇航員提供了飲用水。

其電解質(zhì)主要是氫氧化鉀/氫氧化鈉水溶液，可以使用較為廉價(jià)的催化劑如鐵、鎳、銀及一些金屬氧化物代替貴金屬催化劑（鉑等），因此材料成本較低。

2、 質(zhì)子交換膜燃料電池

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

從本質(zhì)上說，PEMFC 是電解水的一個(gè)「逆」裝置。電解水過程是利用外加電源使水發(fā)生電解，從而產(chǎn)生氫和氧；然而，燃料電池則是氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水，同時(shí)生產(chǎn)出電的過程。

所以燃料電池的結(jié)構(gòu)特征與電解水裝置是如出一轍的，它主要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路組成。

PEMFC 中陽極為氫電極，陰極為氧電極，陰陽極都含有一定量用來加速電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，兩極之間以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。

當(dāng)氫氣與氧氣分別通入陽極和陰極時(shí)，進(jìn)入陽極的氫氣在催化劑作用下離化成氫離子和電子；電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；陰極的氧氣與氫離子及電子反應(yīng)生成水分子，其中產(chǎn)生的水不會(huì)稀釋電解質(zhì)，卻是隨著尾氣通過電極排出。

因此，PEMFC 的電化學(xué)反應(yīng)為：2 H2 + O2 → 2 H2O

2.2 PEMFC關(guān)鍵部件

質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵部件：質(zhì)子交換膜（CEM）、電催化劑和雙極板。

1）質(zhì)子交換膜

PEMFC 以 CEM 為電解質(zhì)，作為其核心部件，CEM 需具備好的穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗電化學(xué)氧化性、高的機(jī)械性能和電導(dǎo)率等特征，應(yīng)用較多的就是杜邦公司生產(chǎn)的商業(yè)化全氟磺酸膜（Nafion 膜）。

多種聚合物材料包括聚醚砜（PES）、聚醚酮（PEK）、聚苯并咪唑（PBI）、聚酰亞胺（PI）、聚亞苯基，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚磷腈和聚偏二氟乙烯（PVDF）可作為 CEM 的主鏈。

此外，已證實(shí)聚合物離聚物結(jié)構(gòu)的變化明顯影響著 CEM 的總體性能。許多文獻(xiàn)報(bào)道過主鏈 CEM，嵌段 CEM，側(cè)鏈型 CEM，梳型 CEM 和致密官能化 CEM。

增強(qiáng) CEM 的陽離子電導(dǎo)率的有效方法之一是在膜基質(zhì)中構(gòu)建相互連接的陽離子導(dǎo)電通道。官能化鏈段和未官能化鏈段之間的親水/疏水區(qū)分導(dǎo)致納米級(jí)的相分離。

CEM 初是從主鏈結(jié)構(gòu)開發(fā)的，其中陽離子基團(tuán)直接連接到?jīng)]有間隔基的聚合物主鏈上。

這種類型的 CEM 主要通過化學(xué)穩(wěn)定的主鏈的后磺化或磺化單體的共聚制備。聚縮合是通過親核機(jī)制實(shí)現(xiàn)芳族 CEM 的共聚反應(yīng)，除了親核機(jī)制，徐銅文等 [10] 探索了通過親電機(jī)制的一條簡易路線，以獲得磺化聚合物。將二芳烴單體和二羧酸酸性單體在溫和條件下的聚?；?，通過一步醚化以高產(chǎn)率合成磺化芳族 PEK。

此外，通過提供另一種 3, 3', 4, 4'-四氨基單體，PEK/PBI 的共聚物可以通過聚酰化反應(yīng)在一鍋中合成。

嵌段聚合物 CEM 可以分為 2 類：

（1）典型的嵌段聚合物由具有不同組成的 2 個(gè)或 3 個(gè)鏈段組成；

（2）少數(shù)親水和疏水鏈段交替排列以構(gòu)建多嵌段聚合物。前者可以通過由大分子引發(fā)劑引發(fā)的苯乙烯的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）制備，也可以通過芳族單體的可控縮聚實(shí)現(xiàn)。李南文課題組首先報(bào)道了通過利用封端在聚亞芳基醚砜（PAES）上的單酚鹽封端的聚苯基氧化物（PPO）低聚物制備芳族 ABS 三嵌段共聚物。

受 Nafion 膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備側(cè)鏈型 CEMs 以改善磺酸基團(tuán)的移動(dòng)性，其對(duì)于構(gòu)建明確的相分離微觀形態(tài)是至關(guān)重要的。

在聚合物主鏈上引入側(cè)鏈的常規(guī)方法是使酚基與 1,3-丙磺酸內(nèi)酯，1, 4-丁烷磺內(nèi)酯或 6-溴己基磺酸鈉反應(yīng)。徐銅文等報(bào)道了側(cè)鏈型預(yù)磺化單體通過聚?；磻?yīng)的聚合。

促進(jìn)微相分離的另一種有效方法是將具有致密聚集的陽離子基團(tuán)的各種單體引入聚合物主鏈。另外，CEM 需要足夠的機(jī)械和尺寸穩(wěn)定性。交聯(lián)則是改善這些性能的*策略，交聯(lián) CEM 可以通過加熱容易地實(shí)現(xiàn)。

磺酸基團(tuán)可以在高溫 100℃ 下與芳族化合物的活化氫原子的縮合反應(yīng)。此外，磺酸基團(tuán)與苯并咪唑環(huán)、咪唑環(huán)、吡啶鎓環(huán)的酸堿交聯(lián)也可有助于改善 CEM 的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。

2）電催化劑

由于 PEMFC 在強(qiáng)酸性環(huán)境中工作，Pt 具有良好的離解吸附分子能力，但由于使用鉑系作為催化劑，限制了它的應(yīng)用。

電催化劑作為 PEMFC 的關(guān)鍵材料，必須滿足以下特征：優(yōu)良的催化性能、電化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性，這使得催化劑嚴(yán)重依賴 Pt 基貴金屬。由于 Pt 價(jià)格昂貴、資源匱乏，降低 Pt 基催化劑的負(fù)載量、探索非鉑催化劑就成為新的研究重點(diǎn)。

金屬 Pd 被視為有前景的鉑替代金屬，但 Pd 基催化劑的催化活性遠(yuǎn)比不上鉑基催化劑，仍然無法達(dá)到商業(yè)化的使用要求。

Xu 等通過調(diào)節(jié)其表面結(jié)構(gòu)和制備 Pd 合金，合成了含多種活性組分的高分散鈀基合金催化劑，并在催化氧還原反應(yīng)（ORR）中顯示了可與鉑基催化劑相媲美的效果。

非貴金屬催化劑主要包括金屬-氮-碳催化劑、過渡金屬氧化物、硫?qū)倩衔铩⒔饘傺醯衔锖徒饘偬嫉衔?。因過渡金屬-氮-碳化合物（M/N/C）具有可觀的 ORR 催化活性（在酸性介質(zhì)中）、抗甲醇、低成本、壽命長和環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是潛力代替鉑基催化劑的非貴金屬燃料電池催化劑之一。

非金屬催化劑主要是由各種雜原子摻雜的納米碳材料，包括硼摻雜、氮摻雜、磷摻雜、硫摻雜以及多原子的雙摻雜或三摻雜。

丁煒等利用蒙脫土作為扁平納米反應(yīng)器選擇性制備平面氮摻雜的石墨烯，可有效地提高催化活性位的密度，增加反應(yīng)界面。但是由于缺少傳質(zhì)通道，在制備成膜電極（MEA）后其活性位暴露的概率大大降低，影響了電池的性能。

于是在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步開發(fā)了一種基于形態(tài)控制轉(zhuǎn)換納米聚合物制備氧還原碳納米材料催化劑的方法——「NaCl 重結(jié)晶固型熱解法」。

3）雙極板

雙極板主要起到支撐、阻氣、集流和導(dǎo)電作用。廣泛應(yīng)用的雙極板有：石墨板、金屬板和復(fù)合雙極板。

2.3 PEMFC 發(fā)展中存在的問題

PEMFC 在發(fā)展過程中存在以下幾類問題：

• 成本問題：PEMFC 的成本問題是多方面引起的，首先，由于其工作條件是強(qiáng)酸性環(huán)境，必須使用昂貴的Pt作為催化劑；其次，現(xiàn)今使用較多的電解質(zhì)膜是性能好的商業(yè) Nafion 膜，這就極大提高了 PEMFC的生產(chǎn)成本。

• 氫源問題：PEMFC 理想的燃料是純氫，但氫氣是輕的氣體，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸不易。

• 壽命問題：目前很多實(shí)驗(yàn)室研究 PEMFC 發(fā)現(xiàn)可達(dá) 10000 h，而實(shí)際應(yīng)用到汽車上時(shí)，其壽命直線縮減，使用壽命有待提高。

3、 堿性燃料電池 

3.1 堿性燃料電池

堿性燃料電池（AFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池的組件及其工作原理類似，總反應(yīng)也一致，因是在堿性工作條件下進(jìn)行，反應(yīng)機(jī)理略有不同,其陰陽極的反應(yīng)如下：

相比 PEMFC，AFC 有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 在陰離交換膜燃料電池中，離子與燃料的傳導(dǎo)方向相反，這有利于降低電池中燃料的滲透；

• 氧化還原反應(yīng)在堿性環(huán)境下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程較快，因此可以使用較為廉價(jià)的催化劑如鐵、鎳等代替貴金屬催化劑（鉑等），降低燃料電池生產(chǎn)和運(yùn)行成本；

• 堿性環(huán)境下較快的動(dòng)力學(xué)過程使得甲醇、乙醇等可作為燃料使用；

• 堿性環(huán)境對(duì)金屬催化劑的腐蝕性比酸性環(huán)境小，可以延長燃料電池電堆的使用壽命。

3.2 陰離子交換膜

堿性陰離子交換膜（AAEM）作為堿性陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的關(guān)鍵部分，在分離燃料和氧氣（或空氣）中起著至關(guān)重要的作用，并實(shí)現(xiàn)陰離子轉(zhuǎn)移。實(shí)際應(yīng)用中，要求 AAEM 具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，一定的離子電導(dǎo)率。

陰離子交換膜（AEM）的性質(zhì)直接決定著 AEMFC 的終性能、能量效率和使用壽命，因此 AEM 必須克服自己的缺點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

AEM 的導(dǎo)電率和機(jī)械穩(wěn)定性之間的權(quán)衡，主要取決于離子交換容量（IEC），官能團(tuán)類型和膜的微結(jié)構(gòu)。

IEC 的增加產(chǎn)生一個(gè)更好的水化羥基運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，但同時(shí)導(dǎo)致過度的水溶脹和離子濃度下降。傳統(tǒng)上，膜中的水吸收通過減少膜中陽離子的相對(duì)量而降低，然而，這也降低了材料的 IEC，從而降低了離子電導(dǎo)率。

圖 2 季銨型離子交換膜常見降解機(jī)理

AEM 面臨的另一個(gè)問題是堿性會(huì)促進(jìn)常用的陽離子季銨基團(tuán)發(fā)生降解。季銨鹽作為離子交換基團(tuán)的研究已進(jìn)行了很多年，其主要問題是在堿性環(huán)境下容易被 OH-親核進(jìn)攻而發(fā)生反應(yīng)，使得離子交換基團(tuán)部分降解為叔胺類等不帶電結(jié)構(gòu)，喪失離子交換能力。

季銨型離子交換膜的降解機(jī)理被認(rèn)為主要有 2 種路徑（圖 2）：直接親核取代（路徑 1、2、3、4），氫氧根直接進(jìn)攻 α-C，生成醇類與叔胺；經(jīng)過加成-消除機(jī)理的霍夫曼消除（路徑 5），OH-進(jìn)攻 β-H，形成 α-β 雙鍵，同時(shí)生成胺類。

3.3 陰離子交換膜的合成

3.3.1 陰離子交換膜的組成

AEM 主要由陰離子導(dǎo)電基團(tuán)（ACG）和特定聚合物骨架組成。 

AEM 中常涉及新的 ACG 的合成，季銨（QA）基團(tuán)是 AEM 的常規(guī) ACG，因?yàn)閹в衅S基鹵化物基團(tuán)的聚合物前體和3甲胺（TMA）較易反應(yīng)，然而，低陰離子電導(dǎo)率和對(duì)高堿性環(huán)境不足耐受性的缺點(diǎn)已經(jīng)阻礙了 AEM 的開發(fā)和商業(yè)化。     

為了解決這些問題，許多文獻(xiàn)報(bào)道研究了具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的各種叔胺作為 ACG 的前體。其中包括一些N, N, N, N-四甲基-1, 6-二氨基己烷（TMHDA），1, 4-二氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷（DABCO），六亞甲基四胺 [27]，和 N, N, N, N-四甲基-1, 2-二亞甲基。

另外，胍鎓陽離子、咪唑陽離子、吡啶等含氮共軛分子可以作為是 AEM 的電位 ACG。

另外，Hickner 等 [28] 通過二環(huán)戊二烯和具有水溶性雙（三吡啶）釕（II）絡(luò)合物的降冰片烯單體的共聚和交聯(lián)來制備金屬陽離子官能化的 AEM，氫氧化物電導(dǎo)率能達(dá)到 27 mS·cm-1，同時(shí)具有一定的耐堿性。 

緊接著，Kwasny 等認(rèn)為這些結(jié)果表明基于金屬陽離子的 AEM 不限于釕，合成了具有不同金屬陽離子的 AEM，結(jié)果表示金屬對(duì)水吸收和機(jī)械性能具有小的影響，同時(shí)還保持優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。因此，這表明基于金屬陽離子的聚電解質(zhì)可以用作 AEM 的潛在候選。

此外，骨架在堿性環(huán)境中的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的，若聚合物骨架發(fā)生降解，將直接影響膜的機(jī)械性能和電導(dǎo)率。

圖 3 聚砜類結(jié)構(gòu)

聚砜類（polysulfone，PSU，圖 3）是常用的骨架，優(yōu)點(diǎn)突出，在堿性環(huán)境下化學(xué)性能較穩(wěn)定，季銨型的聚砜類的陰離子傳導(dǎo)率能夠達(dá)到 10 mS·cm-1，且其燃料電池功率密度可達(dá) 315 mW·cm-2；其缺點(diǎn)是在水中溶脹率與吸水率過大，機(jī)械性能下降明顯。

圖 4 溴化聚 2, 6-二甲基對(duì)苯氧化物結(jié)構(gòu) 

聚 2, 6-二甲基對(duì)苯氧化物（Poly（2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide），PPO，圖 4）具有優(yōu)良的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，也常作為易溴化、進(jìn)而功能化的骨架聚合物，徐銅文等 [32] 以 PPO 為基膜，利用季胺化和氯乙酰化等方法，合成了一系列以 PPO 為基礎(chǔ)的新型陰離子交換膜。

圖 5 聚醚醚酮結(jié)構(gòu) 

聚酮類也可作為 AEM 骨架，如聚醚醚酮（poly（etherether ketone）, PEEK，圖 5）的咪唑型離子交換膜在 20℃ 時(shí)的離子傳導(dǎo)率可達(dá) 52 mS·cm-1 ，聚醚酮型化合物的缺點(diǎn)在于羰基的吸電子效應(yīng)使得離子傳導(dǎo)率下降。

圖 6 聚苯并咪唑結(jié)構(gòu) 

由于聚苯并咪唑（poly（2, 2′-m-phenylene-5, 5′-bibenz?imidazole），PBI，圖 6）本身有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度，因此也是常用的 AEM 骨架。 

3.3.2 陰離子交換膜的制備方法

AEM 通常由帶正電荷的聚電解質(zhì)制備，并且被設(shè)計(jì)成傳導(dǎo)離子，同時(shí)對(duì)中性分子或陽離子是不可滲透的。

AEM 的主要關(guān)注點(diǎn)在于陰離子傳導(dǎo)性，化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。與質(zhì)子交換膜類似，陰離子交換膜的種類非常繁雜，也存在著主鏈 AEM、嵌段 AEM、側(cè)鏈型 AEM、梳型 AEM 和致密官能化 AEM。

增強(qiáng) AEM 的陰離子電導(dǎo)率的主要方法也是在膜基質(zhì)中構(gòu)建相互連接的陰離子導(dǎo)電通道。因此，合適的制備方法顯得尤為重要，以確保所得 IEM 的質(zhì)量。獲得 IEM 的典型方法包括將上述材料溶解在強(qiáng)極性溶劑中，將 IEM溶液澆鑄到平衡板上，后蒸發(fā)溶劑。

到目前為止，該方法仍然廣泛用于獲取 IEM。與此同時(shí)，出現(xiàn)了用于改進(jìn) IEM 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的新的制備方法。離子交換膜的制備方法有聚合物共混、原位聚合、孔填充和靜電紡絲。 

1）聚合物共混     

聚合物共混是制備 AEM 的非常有吸引力的方法，因?yàn)樗梢越Y(jié)合每種組分的突出特性，同時(shí)克服單一組分的不足特征。該方法不僅提高了 AEM 的穩(wěn)定性，選擇性和離子傳導(dǎo)性，而且降低了成本和溶脹。 

其中，PVDF，PS 及其共聚物，PTFE，PPO，PES，PVA，PEEK，PBI 和聚苯胺（PAN）近年來已經(jīng)被廣泛研究。聚合物共混提供了調(diào)節(jié) AEM 的性質(zhì)的各種可能性。

通過控制 2 種或更多種聚合物的組成，許多性能如離子電導(dǎo)率，水溶脹和化學(xué)穩(wěn)定性可能顯然被改進(jìn)，然而，不同組分的相容性仍然具有挑戰(zhàn)性，這可能使得混合 AEM 由于過多的界面而表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能。 

徐銅文課題組 [35] 利用聚合物共混法以制造基于 PPO 的膜。用 PPO 氯乙?；–PPO）直接制備的 AEM 通常具有極低的親水性，從而離子電導(dǎo)較低，將 BPPO與 CPPO 共混后增強(qiáng)了季銨化后的親水性，該膜顯示出了高的氫氧化物傳導(dǎo)率（0.022~0.032 S·cm-1，25℃）和低的甲醇滲透性。 

聚合物共混可廣泛用于改善 AEM 的性能，以合適的比例混合兩種或更多種聚合物是其在 IEM 領(lǐng)域中的成功應(yīng)用的關(guān)鍵，其可以在所得 AEM 中實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

2）原位聚合     

AEM 的傳統(tǒng)制備通常使用原始聚合物的改性或官能化單體的直接聚合。 在這些方法中，在反應(yīng)和膜形成過程期間使用的大量有機(jī)溶劑將對(duì)環(huán)境帶來毒性風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的制造，重要的是開發(fā)用于制備 IEM 的簡單，快速和環(huán)境友好的方法。

近，有報(bào)道了使用無溶劑的原位聚合策略以克服在溶劑聚合中遇到的障礙。該策略不同于上述后改性和直接聚合技術(shù)，因?yàn)橛袡C(jī)溶劑被*結(jié)合到所得膜中的液體單體代替。 

Lin 等將聚醚酮（PEK）作為必要的聚合物增強(qiáng)劑溶解在乙烯基芐基氯（VBC）和二乙烯基苯（DVB）單體的混合物中，在沒有任何有機(jī)溶劑的情況下來形成新的澆鑄溶液，再加入四亞乙基五胺（TEPA）作為 VBC 和 PKE-C 之間的交聯(lián)劑，連續(xù)進(jìn)行聚合和季銨化以獲得交聯(lián)的 AEM，所得 AEM 的電荷密度、離子導(dǎo)電性和堿性穩(wěn)定性都較好，且有效抑制了溶脹比。

原位聚合作為一種多功能，可行和環(huán)境友好的方法來制備 IEM，應(yīng)該得到更多的研究關(guān)注。 

3）孔填充      

孔填充是一種制備具有低溶脹和高選擇性的 AEM 的新方法。為了使用孔填充法制備 AEM，重要的先決條件是尋找合適的多孔基材。多孔基材需要是化學(xué)惰性的和機(jī)械穩(wěn)定的，因此軟聚合物電解質(zhì)在孔中的膨脹可以被硬基質(zhì)限制。

對(duì)于 AEM，多孔 PAN、高密度聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、PES 和 PI 可作為基材，孔通過跟蹤或相轉(zhuǎn)化方法構(gòu)建。除了聚合物基底，無機(jī)材料例如多孔氧化鋁也可以用于獲得孔填充 AEM。 

孔填充 AEM 通常通過將聚合物電解質(zhì)引入多孔基材中來制備。實(shí)現(xiàn)該方法的簡單的方法是將選擇的離聚物倒在膜的表面上，電解質(zhì)流入惰性孔中，并且當(dāng)揮發(fā)溶劑*蒸發(fā)時(shí)可形成 AEM。為了確保成功制備，具有足夠黏度的相對(duì)濃縮的溶液有利于將聚合物保留在側(cè)孔中。 

另外一種將多孔基材浸入離子化聚合物中是制備這種類型的膜的另一種有效方式，并且被稱為孔浸泡技術(shù)?？捉菁夹g(shù)的基本原理類似于孔填充技術(shù)的基本原理。 

4）靜電紡絲      

電紡絲的方法提供了生產(chǎn)具有納米級(jí)直徑的電紡納米纖維的*優(yōu)點(diǎn)，其具有吸引人的特征，包括三維網(wǎng)絡(luò)，*互連的孔，高孔隙率和大比表面積，而且電紡納米纖維與塊體相比顯示出更高的拉伸模量。目前電紡絲方法已經(jīng)吸引了廣泛關(guān)注，且在幾個(gè)應(yīng)用中改善 AEM 的性能。 

Pan 等認(rèn)為通過靜電纖維絲的大量堆積，能制備出有眾多纖維組成的纖維氈（靜電纖維膜）。相對(duì)于傳統(tǒng)的膜的制備方法，通過靜電紡絲制備的電紡纖維膜不僅具有相對(duì)均一的孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布，相互貫通的內(nèi)部孔通道，而且具有顯著而較高的孔隙率。

電紡纖維膜的優(yōu)點(diǎn)之一，便是可以對(duì)膜本身根據(jù)某些特殊的需求，利用各種各樣的改性技術(shù)進(jìn)行有目的的改性。盡管它有優(yōu)勢(shì)，電紡絲方法仍然只適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。目前急需，從各種聚合物結(jié)構(gòu)和功能組深入探索并制備 AEM。 

3.4 AEM 發(fā)展中存在的問題

AEM 在發(fā)展過程中存在以下幾類問題：

• 機(jī)械性能與電化學(xué)性能的矛盾。由于 OH- 離子的質(zhì)量是 H+ 離子的 17 倍，因此理論上同樣離子交換容量的 AEM 與 PEM 相比，其離子傳導(dǎo)率僅為質(zhì)子傳導(dǎo)速率的 1/4。為解決這一問題，目前的主要研究思路尚集中在提高離子交換容量提升離子傳導(dǎo)率。但無限制的提高離子交換容量會(huì)造成膜吸水、溶漲率顯著提升，膜機(jī)械性能下降。尤其在燃料電池具體使用中會(huì)不斷重復(fù)吸水—脫水這一過程，造成膜迅速破裂；

• 膜耐堿性問題。與 Nafion 為主的 PEM 不同，AEM 骨架多采用芳香環(huán)構(gòu)筑，當(dāng)連接具有強(qiáng)正電荷的季銨離子作為離子交換基團(tuán)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多易被氫氧根例子進(jìn)攻的位點(diǎn)，造成膜發(fā)生化學(xué)降解；

• 與催化劑配合問題。除了作為離子傳導(dǎo)介質(zhì)之外，在膜電極中也需要離子導(dǎo)電聚合物傳遞反應(yīng)產(chǎn)生的 OH- 至離子交換膜。這一過程中設(shè)計(jì)電子、離子、氣體與固體的多個(gè)界面問題，針對(duì) AEM 這一復(fù)雜界面的研究尚屬空白。

4 、結(jié)論與展望

作為可再生材料出現(xiàn)的離子交換膜（IEM）在促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)和創(chuàng)新能源技術(shù)的發(fā)展方面發(fā)揮突出的作用。除了材料的固有特性之外，選擇適當(dāng)?shù)闹苽浞椒▽?duì)于實(shí)現(xiàn)所需的膜性能也是至關(guān)重要的。

目前，一系列技術(shù)如聚合物共混，孔隙填充，原位聚合和電紡絲也有希望保持和改善原始聚合物的優(yōu)良性質(zhì)。但由于制備方法不夠系統(tǒng)化，進(jìn)一步探索和優(yōu)化操作條件對(duì)于控制改進(jìn) IEM 的結(jié)構(gòu)和組成是有必要的。

隨著離子交換膜的材料和制備方法的進(jìn)步，相應(yīng)的應(yīng)用也取得了快速的進(jìn)展，燃料電池、擴(kuò)散透析、電滲析、雙極膜電透析、能源轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要使用 IEM。

IEM 作為 PEMFC 和 APEFC 的核心部件，這不僅要求 IEM 具有良好的電化學(xué)性能，即較高的離子傳導(dǎo)率；還需要優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性；而且由于膜材料的工作體系為強(qiáng)酸性或者強(qiáng)堿性，這還要求材料的耐酸堿能力強(qiáng)，因此 IEM 仍面臨著未知的挑戰(zhàn)。 

后，應(yīng)該說明的是材料、制備方法和在離子交換膜領(lǐng)域的潛在應(yīng)用需要協(xié)同研究和推進(jìn)。未來的離子交換膜研究，將逐漸改變現(xiàn)有的單一問題分析方法，即不再局限于離子傳導(dǎo)率的提升、膜機(jī)械性能的提升等分散問題，而會(huì)結(jié)合具體的電堆需求，進(jìn)行膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定制合成。

在這一基礎(chǔ)上，通過計(jì)算化學(xué)手段與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，改變當(dāng)前材料研究的盲目性，形成一套面向需求和燃料電池電堆實(shí)際應(yīng)用背景的系統(tǒng)研究方案。