质子交换膜（Proton exchange membrane,PEM）作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件,对PEMFC的性能起到重要的影响。低成本、高性能PEM的设计和制造对PEMFC的商业应用至关重要。本文制备了磺化聚芳醚砜（SPES）和磺化聚芳硫醚砜（SPTES）两种磺化聚芳醚类PEM,并分别制备了含亚氨基的磷酸化二氧化硅纳米粒子（Si-im P）、聚乙烯基咪唑/埃洛石纳米管核壳纳米管（PVI@HNTs）以及聚乙烯基咪唑纳米管（PVINTs）三种不同的功能纳米填料。将功能纳米填料分别与聚合物基体复合制备复合PEM,基于优化质子载体、构建质子传递通道及质子传递过程仿生优化等方面优化PEM内质子传递过程。主要研究内容如下:1.制备了SPES与SPTES两种磺化聚合物,采用流延法制备了两种透明且坚韧的PEM。研究发现两种PEM均显示出了良好的机械性能、较为适中的吸水率与溶胀率、良好的热稳定性及质子传导率。SPES-50与SPTES-50在80°C完全水合条件下,质子传导率分别为0.136 S cm^-1与0.142 S cm^-1。2.以Si-im P作为功能质子载体优化膜内质子传递过程。Si-im P的加入对复合膜的性能起到了增强作用。Si-im P表面的亚氨基可以与SPTES的磺酸基离子簇连接,酸性基团和碱性基团协同作用在复合膜中形成更连续的质子转移通道和更密集的质子跳跃网络。与SPTES膜相比复合膜的质子传导率最高提高了25%。3.以PVI@HNTs作为功能纳米填料构建膜内质子传递通道。PVI@HNTs增强了膜的热稳定性、机械稳定性及质子传导性能。PVI@HNTs的咪唑基与聚合物基质中的磺酸基形成酸碱对,构建质子跳跃传递和低能垒纳米质子传递通道。“Vehicular”机理和“Grotthuss”机理的协同增强赋予SPES/PVI@HNTs-X复合膜高质子传导性。SPES/PVI@HNTs-7.5膜在80°C和完全水合条件下的质子传导率为0.198 S cm^-1,比SPES膜提高了46%。4.以生物质子转移机理为启发通过PVINTs构建膜内质子传递通道。PVINTs的加入增强了膜的热稳定性、机械稳定性及质子传导性能。PVINTs的亲水内腔通过毛细管作用吸收水分,并形成一个远程连续水转移通道,通过“Vehicular”机理促进质子转移;此外,在PVINTs表面和SPES之间的界面处形成磺酸-咪唑对,产生一维连续质子转移途径并促进质子通过“Grotthuss”机理进行传递。SPES/PVINTs-7.5复合膜在80°C完全水合条件下,质子传导率达到0.212 S cm^-1,比SPES膜提高了56%。