近些年来,随着清洁能源技术的不断发展,环境和工业生产领域对纯氧的需求也在不断增长,因此给氧气生产制备过程提出了更高要求。基于致密陶瓷混合导体透氧材料的膜分离器,因为工艺简单、能耗低、污染少等优点,被认为是传统高耗能、低效率加压冷冻分离技术的理想替代方案。但是,近些年随着这种新型致密陶瓷混合导体透氧膜的发展,材料的选择和设计却不能满足工业生产提出的严苛要求,始终不能摆脱在某方面性能上做出妥协的窘境。所以,探索开发一种兼具化学稳定性和透氧性能的新型混合导体透氧膜材料,对促进氧分离技术的发展、提高工业生产效率、降低能源消耗、保护地球环境具有十分重要意义。在本论文中,选择以化学稳定性优异的BaFeO_3-δ氧化物为基础,根据缺陷化学和晶体学理论,选择半径较大的In、Gd、Ca作为B位掺杂元素,通过调控晶体结构参数,改善材料的氧传输性能,进而达到提高透氧率的目的。同时,探究掺杂元素性质对材料晶体结构参数（比如自由体积、关口尺寸、金属氧键强等）、氧空位浓度、电导率、氧表面交换和体扩散系数、化学稳定性、透氧性能以及长期稳定性的影响机制。借助第一原理计算,研究了掺杂元素对氧空位形成及迁移过程的影响,加深了对膜材料氧传输过程的认识。建立BaFeO_3-δ基混合导体材料晶体结构参数与透氧性能以及化学稳定性之间的联系,为低成本高性能混合导体材料的发展提供理论基础和技术支持。结合理论计算和实验工作,系统地研究了 B位In、Gd、Ca掺杂的BaFeO_3-δ材料结构与性能演变,结果如下:当In³⁺离子在B位掺杂浓度高于10 mol%时可以稳定BaFeO_3-δ材料的立方钙钛矿结构,并展现出较好的透氧性能。在950 ℃下,1 mm厚BaFe_0.9In_0.1O_3-δ材料透氧率可以达到1.11 mL cm^-2 min^-1。但是,随着大离子半径In³⁺掺杂浓度增加,降低了氧空位浓度,同时减少了材料的自由体积,导致氧离子迁移激活能增加,材料的透氧率下降。因此,为了避免过多大半径离子占据更多的晶格自由体积,进一步研究选择离子半径更大的Gd³⁺离子作为B位掺杂元素,以降低稳定立方结构所需要的掺杂浓度。发现少量Gd³⁺掺杂（2.5 mol%）就可稳定立方钙钛矿结构,同时第一性原理计算证明,这些少量的大离子半径Gd³⁺离子在晶格中支撑作用显著,扩大晶胞体积,从而降低了周围氧离子迁移激活能。因此在低掺杂浓度下,获得了较高的透氧性能,1 mm厚BaFeO.975Gd0.025O_3-δ样品的透氧率在950 ℃最高可达到1.37 mL cm^-2 min^-1,优于目前已报到结果中最优秀的无Co透氧膜材料Ba0.95La0.05FeO_3-δ。并且,该材料在高温下表现出稳定的透氧性能和良好的结构稳定性。稀土元素的应用,虽然大大改善了材料的性能,但是增加材料的成本压力。针对这一问题,尝试将更价廉的Ca²⁺离子作为BaFeO_3-δ材料B位掺杂元素。研究发现,Ca掺杂不仅能够稳定材料的立方结构,同时也扩展了晶格结构,促进了氧离子的传输;与此同时,还提高了材料抗CO₂和H₂的侵蚀能力,展现出与Gd³⁺掺杂材料相近的透氧性能和化学稳定性。Ca掺杂BaFeO_3-δ是一种非常有发展前途的透氧膜材料。利用一锅法原位合成了 B位Sm掺杂的30 wt%BaFeO.95Sm0.05O_3-δ-70 wt%Sm0.1Ce0.9O_2-δ（30BFS-70SDC）双相透氧膜材料,同样也展现出优异的化学稳定性和透氧性能。该材料两相均匀混合,形成有效的电子和离子导通网络,保证材料的混合导电特性。制备的致密30BFS-70SDC膜,在950 ℃下其透氧率为0.64 mL cm^-2 min^-1,透氧性能稳定。通过构建不对称多孔支撑的超薄致密膜,并加以涂覆和多孔浸渍技术修饰表面,可使不对称膜的透氧率在950 ℃达1.88 mL cm^-2 min^-1,证明所设计制备的不对称双相混合导体透氧膜是一种优秀的透氧膜材料。