固体氧化物燃料电池（SOFC）采用全固态结构,以其效率高、无污染、易组装等诸多特点在能源领域成为研究的重点方向之一。较高的操作温度虽然具备一定的优势,但带来的问题限制了它的商业化应用,实现中低温化是SOFC的必然需求。质子导体基SOFC（H-SOFC）因为较低的质子迁移活化能成为中温化发展的一个有效途径。目前,H-SOFC的阴极多为氧离子、电子混合导体,材料的结构-电化学性能关系与电极的电化学反应机理尚不清楚。本论文在H-SOFC的基础上,进行了一系列的阴极材料的设计、物相分析与电化学性能对比研究。第一章介绍了燃料电池的历史与SOFC的特点和工作原理,综述了各个关键材料的发展与现状,重点讨论了H-SOFC电解质与阴极材料的相关研究以及目前存在的问题。第二章,研究了一系列同源的R-P结构的Srn+1FenO3n+1（SFO,n=1,2,3）材料的电化学性能。Sr3Fe2O7（SFO2）表现出了较高的电子电导率与氧传输动力学,其中的Fe元素具有相对最低的平均价态,表明氧空位浓度较高,有利于氧还原反应（ORR）的催化能力和材料的氧输运能力。单电池极化电阻的比较分析发现高频阻抗随着n的增加而减小,但在极化阻抗中占比较小,不是影响单电池功率输出的主要因素,低频阻抗对应氧还原反应速率,与材料中的Fe的氧化态有较强的关联性。第三章,传统质子导电型复合阴极的吸水性较强,会降低氧分压,限制ORR反应进行,针对这个问题,提出了一种抑制电极水吸附现象提升电催化能力的策略。选择了碱性较弱的La2Ce2O7（LCO）与Sm2Zr2O7（SZO）代替传统的碱性较强的BaCe（Zr）O3-基材料制备复合阴极,获得了相比BZCY复合阴极略高的电化学性能,尤其是LSF-LCO阴极在低温区域展现出了可能的潜力。第四章,在前期工作的基础上研究了碱金属元素掺杂的La1.85M0.15Ce2O7（LMC,M=K,Rb,Cs）体系材料应用于H-SOFC复合阴极,获得了性能优异的H-SOFC复合阴极材料。X射线光电子能谱（XPS）实验结果表明了低价阳离子的引入使得Ce元素的平均价态提高,但总体上仍然引入了更多的氧空位使离子电导率提高。第五章工作介绍了通过同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）技术对多种R-P结构和层状钙钛矿结构材料的探索研究。探索研究了 R-P结构Srn+1FenO3n+1（SFO,n=1,2,3）体系中不同组分样品的Fe元素价态和局域结构并结合第二章电化学性能测试分析材料的结构性能关联。分析Lan+1NinO3n+1（LNOn,n=1,2,3）体系随层数n的增加导致电导率增加的原因,研究了 La1.2Sr0.8Ni1-xFexO4体系材料中Fe含量对结构的影响。对比了高性能的层状钙钛矿MBaCo2O5+δ（MBC,M=Y,Gd,Pr）体系的500℃退火与900℃高温淬火制备的材料的不对称性与Co元素价态。第六章对本论文的工作进行了总结,这些研究加深了对SOFC阴极反应过程与机理的认识,为设计研究中温H-SOFC阴极材料提供了新的思路。提出了存在的诸多不足之处和未来的研究展望。