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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能转变为电能的高效绿色能源技术,将SOFC工作温度由-1000℃高温降低至500℃-800℃中温范围,即研发中温SOFC,是目前该领域的重要发展方向。工作温度的降低有利于降低SOFC制备与运行成本、提高电池结构与性能稳定性进而延长使用寿命,但同时也带来阴极、电解质、阳极等组元材料的性能下降问题,特别是,由于阴极氧还原反应活化能较大,导致阴极极化阻抗随温度降低急剧增大,成为中温SOFC输出功率的主要限制因素。因此,研发综合性能优良的阴极材料对于促进SOFC中温化发展、应用具有重要意义。钻基钙钛矿结构氧化物是重要的中温SOFC阴极候选材料,具有高电子-离子混合电导率和高氧还原催化活性优势,但普遍具有过高的热膨胀系数(TEC),与常用电解质材料Gd0.1Ce0.9O1.95 (GDC). Sm0.1Ce0.9O1.95 (SDC)、La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ(LSGM)等存在TEC失配问题,将导致SOFC在高温烧结制备与长期运行过程中的结构开裂与性能恶化。因此,降低TEC值、提高与电解质材料的TEC匹配从而提高SOFC的结构与性能稳定性,是目前钴基钙钛矿阴极材料亟待解决的关键问题。钴基钙钛矿氧化物TEC高的本质原因来自于B位Con+(n=2、3、4)离子的还原变价以及电子自旋态的改变,以价态稳定的过渡金属离子部分取代Con+离子能够有效降低材料的TEC值；另外,在钴基钙钛矿氧化物中加入一定量TEC值小的其它组分构成复合阴极材料是降低TEC值的又一可行途径；并且,这两种TEC改性途径将同时伴随阴极电学与电化学性能的改变。本论文选择立方钙钛矿结构La0.5Ba0.5CoO3-δ与层状钙钛矿结构PrBaCo2O6-δ氧化物做为研究对象,通过进行B位离子掺杂与复合材料制备两种途径,进行该阴极材料性能优化研究。本论文的主要研究内容与实验结果如下：1、采用sol--l方法合成了B位Fen+(n=3、4)掺杂(LBCF-y,y=0.1-0.9)系列样品,并对LBCF-y的氧含量、化学缺陷、热膨胀行为、电学和电化学性能进行了研究分析。XRD结果表明：Fen+掺杂量y=0.1-0.7时,LBCF-y为立方钙钛矿结构纯相,y高于0.7则出现杂相,并且,随Fen+掺杂量增大,LBCF-y发生晶格膨胀；室温碘滴定测试结果表明：Fen+掺杂量越大,LBCF-y的氧含量与B位离子平均价态越高,当y=0.1-0.3时,晶格中B位离子主要以Fe4+、Co4+、Co3+形态存在,而对于y=0.5-0.7的样品,B位离子则主要以Fe4+、Fe3+、Co3+形态存在；在空气中20-1000-温度范围内测试了样品的热膨胀特性并计算了TEC值,随着Fen+掺杂量增大,LBCF-y的TEC值呈现先增大后减小趋势,在y=0.7时TEC最小；利用直流四电极方法测试了LBCF-y空气中100-850℃C温度范围内的电导率,发现电导率随温度的升高先增大后减小,而在相同温度下,随Fen+掺杂量增大,LBCF-y电导率逐渐降低,但所有样品电导率满足SOFC要求；LBCF-y TEC和电导率的变化规律与其化学缺陷随Fen+掺杂浓度的变化有关；测试了LBCF-y阴极在650-800℃C温度下与不同氧分压气氛中的交流阻抗谱特性,并探讨了电极反应机制,结果表明：随B位Fen+掺杂量增大,L BCF-y阴极极化阻抗有所增大,主要是由于Fen+掺杂降低了LBCF-y中的氧空位浓度,不利于LBCF-y阴极的高频氧离子体扩散；但是,所有LBCF-y (y=0.1-0.7)样品650℃下比表面极化阻抗(ASR)均小于01 Ω·cm2,具有高氧还原催化活性。2、采用sol-gel方法合成了B位Sc3+掺杂PrBaCo2-xScxO6-δ (PBCS-x, x=0.00-1.00)系列粉体,研究了Sc3+掺杂对样品的相结构、氧含量、化学缺陷、热学行为、热膨胀行为、电学及电化学性能等的影响。结果表明：随Sc3+掺杂量增大,样品发生相结构转变,低Sc3+掺杂量(x≤0.20)时,PBCS-x为四方相双层钙钛矿结构,SC3+掺杂量x=0.30-0.40时,为二元复合相,Sc3+掺杂量x=0.50-0.90时,为简单立方相钙钛矿结构,而Sc3+掺杂量过高(x=0.1)则出现少量杂相；碘滴定结果表明：随着Sc3+掺杂量增大,PBCS-x的氧含量减小,氧空位浓度增大,Co4+离子含量减小,该化学缺陷的变化是SC3+掺杂导致PBCS-x结构与性能变化的本质原因；随Sc3+掺杂量增大,PBCS-x TEC逐渐减小与电解质材料TEC匹配性提高,而电导率逐渐减小；PBCS-x/GDC/PBCS-x对称电池交流阻抗谱测试结果表明：Sc3+掺杂取代部分B位Co离子使PBCS-x阴极的电化学催化活性显著增强,阴极ASR随Sc3+掺杂量增大而减小,在所研究的PBCS-x系列样品中,Sc3一掺杂量x=0.5样品具有最好的电化学性能,600℃C时其ASR值仅为0.123 Ω·cm2,是一种具有应用前景的新型中温SOFC阴极材料。3、采用sol-gel方法制备了Pr0.83BaCo1.33Sc0.50δ-0.17PrCoO3(PBCS-0.17PCO)复合纳米粉体中温SOFC阴极材料,对其相结构、热膨胀系数、电学与电化学性能进行了研究,并与同成分单相阴极材料PrBaCo1.5Sco.506-δ进行了对比分析。XRD测试结果表明：该复合材料由两种立方相钙钛矿结构氧化物Pr0.83BaCo1.33Sco.5O6-δ与PrCoO3组成,其中PrCoO3含量为17 mo1%；微观形貌SEM图表明PBCS-0.17PCO复合样品具有颗粒尺寸小、粒度均匀、分散性好等的特点；TEC测试结果表明：与PrBaCo1.5Sco.5O6-δ单相阴极相比,PBCS-0.17PCO复合阴极TEC值减小,30-900℃C温度区间TEC值为18.4x10-6/℃,与电解质材料的TEC匹配性提高；利用直流四电极方法对样品在空气中50-850℃C温度下的电导率进行了测试,结果表明：PBCS-0.17PCO复合阴极电学行为与PrBaCO1.5Sc0.5O6-δ单相阴极不同,并且在整个测试温度区间内复合阴极的电导率相对较小；对称电池交流阻抗谱测试结果表明：PBCS-0.17PCO复合阴极具有良好的氧还原反应电化学催化性能,在600℃、650℃C、700℃、750℃下的ASR分别为0.127Ω·cm2、0.069Ω·cm2、0.039Ω·cm2、0.026Ω·cm2，且长时间工作性能稳定,是一种性能优良的新型中温SOFC复合阴极材料。