固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种环境友好,燃料适应性强,转换效率高的电化学能源转换装置。它能够在中高温的情况下,将储存在燃料中的化学能高效率地转换成电能的全固态化学发电装置。尽管在实验上,固体氧化物燃料电池的研究得到广泛的研究和发展,但是目前很少有在原子尺度上对其阳极的反应机理的研究。本论文将使用第一性原理计算与实验想结合的研究方法,全面研究H2在Cu/CeO2(111)以及Ni/CeO2(111)表面上的反应机理的研究。在第一章中,主要论述了固体氧化物燃料电池的发展历史,简单介绍了氧离子传导型的固体氧化物燃料电池的工作原理等相关的基本概念,然后对密度泛函的发展进行简单的总结,阐述了本文使用的第一性原理计算方法的理论依据,最后提出本文的研究目的和相关内容的介绍。在第二章中,我们研究了作为阳极材料的Cu-CeO2体系。因为到目前为止,始终没有H2在Cu/CeO2(111)表面上氧化反应的清晰描述,因此,H2作为燃料气,在固体氧化物燃料电池的电极Cu-CeO2体系的反应具有较高的研究价值。密度泛函理论计算的结果表明,金属铜团簇修饰的氧化铈表面,能抑制在氧化铈的表面上形成界面氧空位,并且能够增加阳极的反应催化活性,减少H2在Cu-CeO2体系的氧化反应能垒。H2在Cu-CeO2表面上的氧化反应有两种可能的反应过程,一种是Three Phase Boundary(TPB)Pathway反应过程,另外一种是H-Spillover Pathway。其中TPB Pathway所需的反应能垒最小,最高的反应能垒为0.836 eV,而H2在化学计量比的Ce02(111)表面上发生氧化反应,最高的反应能垒为2.399 eV。实验上,H2-程序升温还原(H2-Temperature Programmed Reduction,H2-TPR)实验表明,金属铜粒子可以降低Cu-CeO2体系的还原反应温度,增加氧化铺还原的量。另外,我们通过电导弛豫(Electrical Conductivity Relaxation,ECR)实验定量比较发现,金属铜纳米粒子能显著地提高反应速率,因为纯氧化铈样品的氧表面交换系数为1.012×10-5 cm s-1,而金属铜纳米粒子修饰的氧化铈样品的氧表面交换系数为12.180×10-5cms-1,与第一性原理DFT的计算结果较为符合。在第三章中,我们的研究体系是Ni-Ce02阳极材料。本章同样是使用密度泛函理论计算与实验相结合的方法的研究Ni-Ce02体系。理论计算的研究着重在于理解H2在Ni-Ce02表面上的氧化反应过程。我们研究得出H2在Ni-Ce02表面的反应可以分为 H-SpilloverPathway,Molecule Pathway,以及 O-Spillover Pathway,其中H-Spillover Pathway所要克服的反应能垒是最小的,而整个O-Spillover Pathway反应过程是吸热反应,不符合氢气,碳氢化合物等燃料气在阳极的反应是一个放热反应的事实。另外,从实验结果分析可以得出以下的结论:金属镍颗粒的存在能降低吸附-解离和表面氧进化成水的氢气氧化过程的反应能垒;相比较纯氧化铈样品而言,Ni-CeO2样品的电导弛豫测试所需要的平衡时间更短,说明金属镍纳米粒子的存在可以明显加速H2在NI-CeO2表面上的氧化反应过程。程序升温脱附实验测试结果证明了 H2分子更加倾向于Ni-CeO2实验样品上而非纯的CeO2样品;阻抗谱实验分析证实了表面氧进化成H2O的H2氧化过程复合密度泛函理论计算的结果,并且H2的电化学氧化过程主要发生在Ni/CeO2/gas的三相线处。第四章对本论文的工作内容进行了总结,同时指出其中,尤其是理论计算部分的局限性与不足性。