题目：聚乙烯吡咯烷酮基复合高温质子交换膜的制备及性能研究

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）由于具有水热管理简单，阴极动力学较快，催化剂的抗毒化性能较高等优点而成为聚合物膜燃料电池的研究热点之一。高温质子交换膜（HT-PEM）是高温质子交换膜燃料电池的核心材料，其性能的优劣直接决定了电池输出性能的好坏、制造成本高低及系统的稳定性。在众多HT-PEM中，磷酸掺杂的聚合物电解质膜由于兼顾了具有高的离子电导率和良好的力学性能等而最具有实际应用潜力。本研究以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为功能聚合物，以具有优良热/化学稳定的廉价工程塑料聚醚砜（PES）为骨架聚合物，分别制备了PTFE增强的PES-PVP（PVP含量为80 wt%）复合高温质子交换膜（PES-PVP/PTFE复合膜）和具有微纳孔道结构的PES-PVP（PVP含量为50 wt%）复合高温质子交换膜（pPES-PVP复合膜）。本论文的主要研究内容和结论如下：

1.   PES-PVP/PTFE复合高温质子交换膜的制备与性能研究

利用高孔隙率的PTFE多孔膜作为支撑膜，成功制备了PTFE增强的PES-PVP（PES-PVP/PTFE，PVP含量为80 wt%）复合膜。研究结果表明，磷酸掺杂后PES-PVP/PTFE复合膜的力学性能明显优于未增强的PES-PVP复合膜。PES-PVP在多孔PTFE中的填充程度与表面活性剂Triton X-100（Triton)含量密切相关，并且存在最佳含量（5 wt%）。PES-PVP/PTFE复合膜的磷酸载量随PES-PVP在多孔PTFE中的填充程度的增加而增加，最高可达560 wt%。所制备出的PES-PVP/PTFE复合膜在高温低湿度条件下展示出良好的质子导电率，在180 °C时的最高电导率高达0.26 S cm-1。基于优化的PES-PVP/PTFE复合膜的氢氧燃料电池在180 °C无增湿条件下，最大输出功率可达607 mW cm-2。

2.   微纳孔道结构pPES-PVP复合高温质子交换膜的制备与性能研究

利用二氧化硅微球为硬模板在PES-PVP（PVP 含量为50 wt%）复合膜中引入了微纳孔道结构，成功地制备了具有微纳孔道的PES-PVP（pPES-PVP）复合膜。研究结果表明，通过调节二氧化硅微球的质量分数可以实现pPES-PVP复合膜多孔结构的调控，获得了具有不同孔隙率和孔结构的pPES-PVP复合膜。pPES-PVP中吸收的磷酸载量随着膜中孔隙率的增加而增加，从无孔时的235 wt% 增加至高孔隙率时的 350 wt%，进而使PES-PVP复合膜的电导率获得大幅提升。pPES-PVP复合膜在180 °C无增湿条件下的最高电导率可达0.09 S cm-1。在单电池性能测试中，以磷酸掺杂的pPES-PVP复合膜作为电解质膜的高温质子交换膜燃料电池在180 °C的最大功率密度为454 mW cm-2，这表明磷酸掺杂pPES-PVP复合膜是一种有应用潜力的高温质子交换膜。