陶瓷质子导体应用前景广阔,研究活跃。新型材料不断发现；氢气分离,天然气重整,水气转换,以及固体氧化物燃料电池等方面的实用探索稳步推进。实验研究上的进步,催生了相关模型机理的提出；而模拟工作的跟进,有助于深入理解材料性质,促进实验领域的发展,两者相辅相成。本文围绕有关陶瓷质子导体材料的模拟,结合报道的实验结果,给出了金属陶瓷双相复合氢气分离膜的模型,新型质子导体La2Ce2O7的晶体结构和质子的微观迁移过程,以及质子导体电解质燃料电池的简单模型。第一章是本文总体背景的说明,主要分两部分：一是质子导体的分类概述,着重阐述了陶瓷相质子导体材料及其用途；二是材料模拟的整体层次划分,简单介绍了不同层次的模拟方法和现有的软件工具。第二章以Ni-BZCY(Zr掺杂的BaCeO3)为样本,讨论金属陶瓷双相复合氢分离膜模型。尝试为对称和非对称结构的氢渗透膜建模；根据不同结构的特征,分别导出了相应的算式和等效电路。模型可预测一定实验条件下的氢气渗透速率,判断影响性能的瓶颈所在。模型结果表明,随着致密膜厚度的减少,速控步骤从体扩散逐渐过渡到表面交换过程；镍相的氢气渗透占总量的比重,比陶瓷质子导体的低一个量级；但在致密膜较薄的情况下,其占比还是比较可观。对于非对称结构,模型阐明,衬底中的浓差极化可以忽略；而表面极化则比较严重,这在致密膜很薄的样品中更加突出。当膜厚小于数十微米,厚度减薄与性能提升明显不成比例；相反的,促进表面反应过程的措施,如晶粒细化和表面修饰等,将更加有效。第三章尝试从密度泛函的角度,讨论La2Ce2O7的晶体结构和质子迁移路径。之前的计算和实验文献,晶体稳定结构的论断互相矛盾,且鲜见质子迁移模拟的报道；本章就稳定结构作出判断,阐述了无序子晶格的可能形成机理；计算了块材中的质子迁移路径和能垒；构建表面晶胞模型,分析钐掺杂对表面过程的作用。第一,通过对比无序萤石结构和有序烧绿石结构的相对总能,发现：有序烧绿石结构并不是能量最低的；O48f—O8a类型阴离子弗伦克尔缺陷的形成,使得La2Ce2O7更加稳定；体系不倾向于形成O48f—O8b类型的弗仑克尔缺陷；La/Ce阳离子反位缺陷会增加体系的能量；而O48f-O8b类型弗伦克尔缺陷的存在,使得上述能量增幅大大减少。再考虑到实验条件下合成La/Ce时的热处理过程,室温下阳离子无序仍然有可能保留下来；但不会像阴离子弗伦克尔缺陷那样占据主导。这些和之前报道的中子衍射实验结论相互印证。第二,选取La2Ce2O7有序烧绿石以及能量最低的无序萤石结构模型,分别计算块材中的稳定质子位,并用过渡态搜索算法寻找质子迁移路径和能垒。结果表明：引入间隙质子后,晶格发生一定畸变,和质子相邻的两个氧离子距离缩短；块材中的质子迁移能垒不超过0.6eV,低于实验的表观活化能；由于反应路径上有更高能垒存在,部分无序结构可能不利于质子迁移活化能垒的降低。第三,通过搭建由Ni、La2Ce207和真空层组成的晶胞模型,讨论了氢气吸附解离等表面过程；其能垒在0.7eV以上,可以解释实验测得的表观活化能高于块材中质子迁移能垒的原因。第四,在上述表面模型中引入钐掺杂。分析表明,表面氢原子迁移过程的能垒有所降低,有利于表面反应。这一结果符合观测现象。第四章为阳极支撑的质子导体燃料电池建立简单模型。结合实验数据,模拟的样品以陶瓷质子导体BaZr0.1Y0.2Ce0.7O3-δ为电解质,以Sm0.5Sr0.5CoO3-δ-Sm0.2Ce0.8O2-δ复合材料为阴极。结果说明,大部分的过电势源于电解质的欧姆电阻和阴极的反应极化。另外从电极浓差极化的角度,对比了基于质子和氧离子导体电解质的燃料电池。第五章是全文总结。