在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案，基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变，降低了质子交换区直接刻蚀难度，结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变，波导尺寸显著降低，采用粒子群算法优化波导尺寸，最小可达2.5μm。基于该工艺方案设计了中心波长为1550 nm、四通道且通道间隔为400 GHz的阵列波导光栅，该阵列波导光栅的传输损耗约为6 dB，相邻通道间串扰均低于22 dB，整体尺寸仅为850 μm×620 μm，在高密度铌酸锂光子集成互连等场景具有较大的应用潜力。

质子交换膜燃料电池是一种高效清洁的发电技术，具有反应动力学快、启动温度低等特点。目前质子交换膜燃料电池技术发展迅速，有望得到广泛推广和普及。本文从质子交换膜燃料电池核心组件出发，对近年来质子交换膜燃料电池的发展进行了简要概述。从材料出发，对核心组件进行分类，详细介绍了质子交换膜、催化剂以及气体扩散层的研究现状和技术特点，综述了各组件的研究方法、改进方法以及研究进展，展望了质子交换膜燃料电池的研究方向和未来发展趋势。基于高温环境下的各种优势，具有短侧链、低当量的且适用于高温低湿环境的质子交换膜仍将是重点研究对象。质子交换膜燃料电池将进一步向低Pt甚至无Pt方向发展，同时未来将实现无增湿条件下的水平衡。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点, 有望减少二氧化碳排放量, 缓解能源危机, 在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好, 是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵, 导致PEMFC成本较高, 使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量, 提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性, 是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低, 抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性, 需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体, 进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质, 可以提高PEMFC性能和寿命, 引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述, 并对其发展趋势作出了适当评论。

针对铌酸锂波导质子交换的精确控制提出了一种预热-反应方法, 建立了质子交换温控模型, 并对该模型进行了PID控制参数整定和温度波动误差分析, 在此基础上研究了质子交换过程中温度波动对H+浓度纵向分布的影响。采用预热-反应方法制作了波导样本, 实验测试了其折射率纵向分布, 并与传统工艺制作的波导样本测试结果进行对比, 验证了所提方法对质子交换精确控制的有效性。实验表明: 预热-反应方法折射率分布同理论计算折射率分布结果吻合更好。

铌酸锂波导集成光学芯片是高精度光纤陀螺系统的核心器件, 其性能直接影响光纤陀螺系统的性能。而质子交换炉是用质子交换法制备铌酸锂光波导的主要设备, 其炉温的控制质量直接影响铌酸锂光波导的质量。为了实现炉温的精确控制, 以炉膛内空气的温度为控制对象, 基于热平衡机理建立了质子交换炉温控模型, 并在此模型基础上进行了稳定性分析, 并利用MATLAB软件对温控模型进行PID控制仿真, 结果表明, 所建立出来的温控模型是稳定的, 但系统采用PID控制时抗干扰能力差, 这为进一步研究温度控制策略提供了依据。

为实现铌酸锂退火质子交换(APE)波导折射率分布的准确计算, 选择含苯甲酸锂的苯甲酸缓冲液作为质子交换质子源, 高温退火制作了波导样本。针对该工艺过程建立退火质子交换波导模型, 包括非线性扩散模块和光学数值仿真模块, 分别计算APE波导折射率及其模式有效折射率。以测得的样本波导模式有效折射率和计算的有效折射率差的均方根构建评价函数(FOM), 结合遗传算法提取该工艺条件下质子扩散参数, 实现了不同交换深度和退火时间波导折射率分布及其光学特性的一体化计算。实验表明: FOM小于0.001, 计算折射率分布同IWKB方法测得结果吻合较好, 最大偏差约0.002。

对降低铌酸锂(LN)电光调制器的半波电压进行了研究, 探索了利用反射结构实现低半波电压的原理。通过退火质子交换工艺在x切LN晶片上制作了反射结构的LN电光调制器。测试表明, 这种反射结构的LN电光调制器在保持器件长度不变的条件下可以降低半波电压。

采用稀释硬脂酸和高温质子交换技术,研究了单偏振α相铌酸锂光波导的制备工艺。开发了一种高温密闭装置,通过提高蒸汽压的方法实现了350 ℃质子交换。波导折射率分布测试采用了棱镜薄膜耦合m线技术结合统计迭代法拟合的方法,晶相分析采用了红外吸收光谱技术。实验结果表明,掺入1.1%硬脂酸锂质量比例的硬脂酸作为缓冲质子源,经350 ℃/6 h高温质子交换,可以形成α相铌酸锂光波导,稀释度为1.3%时,同样的温度/时间条件下,可以获得632.8 nm单模α相铌酸锂光波导。

利用无毒、无腐蚀性的硬脂酸作为交换质子源, 研究了在X切LiNbO3晶片上制作单模条形光波导的工艺技术。通过对平板光波导的交换及退火特性的研究, 确定了获得单模条形光波导的工艺参数, 制作并测试了条宽不等的X切Y传LiNbO3单模条形光波导。结果表明该工艺条件下制作的条宽为6μm的单模波导实现了小于1dB/cm的传输损耗, 为采用硬脂酸作为交换质子源研制X切Y传LiNbO3集成光波导器件奠定了基础。