离子交换膜（Ion Exchange Membranes,IEMs）是一种含离子基团的、对离子具有选择透过能力的高分子膜,广泛应用于化工分离、电解水、氯碱、海水淡化、燃料电池和液流电池等领域。在这些器件中,离子交换膜一般起到分隔阴阳两极,防止短路及选择性传导离子的作用。经多年发展,20世纪70年代,杜邦公司以聚四氟乙烯为主链,磺酸基为导离子侧链基团,开发出了全氟磺酸膜（商品名为Nafion）。Nafion膜具有较高的机械性能和化学稳定性,质子传导性能也十分优异,但它也有高温稳定性差和高燃料渗透性的缺点,这限制了Nafion膜的应用领域和器件性能的提升。使用二氧化硅、金属氧化物、纳米碳等作为填料,可改善Nafion膜的机械性能和热稳定性,但是由于Nafion膜的微观结构中存在大量4 nm左右的孔道所带来的分子跨膜输运的难题一直未获得有效的解决。本文利用碳点（Carbon Dots,CDs）尺寸小（2-5 nm）且表面富含极性基团的特点,使用共混法制备全氟磺酸-碳点杂化膜,通过碳点的组装行为调控杂化膜的孔径分布和离子传输性能,详细研究杂化膜的机械性能、热稳定性、离子传导性能、甲醇和气体渗透性能,并将该膜应用于电解水装置及甲醇燃料电池的构筑。本文的具体内容如下:（1）以廉价的柠檬酸和尿素为原料,通过微波合成、高速离心、透析和冷冻干燥等技术制备了碳点,研究了商业Nafion 115膜的溶解条件,制备了系列不同掺杂量的全氟磺酸-碳点杂化膜,表征了碳点和薄膜的形貌、均一性和所含官能团等基本性质并研究了薄膜的热稳定性、力学性能等;（2）以制备的全氟磺酸-碳点杂化膜为隔膜构筑电解水装置中,在1000 m A cm^-2的大电流密度下电解水产生的氢气和氧气的纯度分别为99.98%和99.93%,显著高于使用商业Nafion膜电解水产生的氢气（99.95%）和氧气（99.90%）纯度,制备的氢气的纯度已经满足国家标准中对于燃料电池氢气纯的要求（99.97%）。通过孔径分布等参数的对比研究,推断了制取高纯度氢气的机理。（3）使用电化学方法测试了全氟磺酸-碳点杂化膜在80℃下的甲醇渗透性能,杂化膜的甲醇渗透率为3.229×10^-6 cm² s^-1低于未掺杂的全氟磺酸膜(3.467×10^-6 cm² s^-1),表明杂化膜能够改善甲醇的跨膜渗透行为。以全氟磺酸-碳点杂化膜构筑甲醇燃料电池并对电池性能进行了系统的研究,结果显示使用杂化膜制备的膜电极的开路电压显著改善,燃料电池在80℃下的最大输出效率为100 m W cm^-2,比使用商业全氟磺酸膜制备的膜电极性能高大约20%。该研究提出了一种通过以碳点掺杂对质子交换膜的孔径和离子输运能力进行调控的方法,并在电解水和燃料电池等能源器件中表现出了优异的性能,为新一代能源器件的构筑提供了新的思路。