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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效低污染的电化学发电装置，是未来能源体系中可信赖的清洁电源技术。与传统SOFC相比，具有较低操作温度的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有效地降低了材料的生产和应用成本，提高了电池稳定性，但也不可避免地导致大的过电位和阴极极化损失。因此，开发具有高性能的IT-SOFC阴极材料就显得非常重要。本文研究了两类不同双钙钛矿结构的阴极材料： LnBaCo2O5+(Ln为稀土元素)A2B′B″O5+(A为碱金属元素，B为过渡族金属元素)。通过对过渡族金属离子的掺杂，研究了其结构、化合价态、电导率、热学和电化学性能。此外，我们还制备出了复合阴极材料，对阴极性能进行优化。“112”型双钙钛矿结构氧化物LnBaCo2O5+，因具有优异的氧传输性能和电导率被广泛地研究作为IT-SOFC阴极材料。然而，该类材料较高的热膨胀系数和Co含量，长期使用稳定性等因素限制了材料的实际应用。本文中采用溶胶-凝胶法制备了Fe掺杂的LnBaCoFeO5+(Ln=Pr, Nd; PBCF, NBCF)阴极材料。PBCF和NBCF样品均与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3–(LSGM)和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)分别在1000°C和1150°C以下具有良好的化学兼容性。XPS研究表明，双钙钛矿氧化物PBCF和NBCF存在多种不同的化合价态：[Pr3+/4+][Ba2+][Co3+/4+][Fe3+/4+]O5+,[Nd3+][Ba2+][Co3+/4+][Fe3+/4+]O5+。PBCF和NBCF样品在301000°C温度范围内的平均热膨胀系数(TEC)分别为21.0×106K1和19.5×106K1，明显小于未掺杂的Pr(Nd)BaCo2O5+的TEC值。PBCF和NBCF样品的最大电导率分别为321和172S cm1。800°C时，在LSGM电解质上，PBCF和NBCF阴极的界面阻抗(ASR)值分别为0.049cm2和0.062cm2。800°C时，以Ni SDC为阳极，PBCF和NBCF为阴极，在0.3mm LSGM为支撑体的单电池其最大功率密度分别达到了749mW cm2和669mW cm2。此外，P(N)BCF–xCe0.8Sm0.2O1.9(x=20–50wt.%; P(N)BCF–xSDC)复合阴极有效地降低了TEC，改善了电化学性能。800°C时，最佳复合比例的PBCF–40SDC和NBCF–30SDC阴极的ASR值分别为0.037cm2和0.046cm2，以PBCF–40SDC和NBCF–30SDC阴极的单电池，其最大功率密度分别达到了960mW cm–2和892mW cm–2。尽管PBCF和NBCF样品TEC有所降低，但是与常用电解质相比TEC仍然较大。因此，我们采用溶胶-凝胶法合成了Fe和Cu共掺杂的Pr(Nd)BaCo2/3Fe2/3Cu2/3O5+(PBCFC和NBCFC)阴极材料。XRD研究表明，PBCFC和NBCFC为单相四方结构，与LSGM、SDC和Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)电解质具有良好的化学兼容性。XPS研究表明， PBCFC和NBCFC中金属离子存在多种不同的化合价态：[Pr3+/4+][Ba2+][Co3+/4+]2/3[Fe3+/4+]2/3[Cu+/2+]2/3O5+,[Nd3+][Ba2+][Co3+/4+]2/3[Fe3+/4+]2/3[Cu+/2+]2/3O5+。PBCFC和NBCFC样品的最大电导率分别为144S cm1和92S cm1，在30–850°C温度范围内的平均TEC分别为16.6×106K1和15.7×106K1。800°C时，PBCFC和NBCFC阴极在GDC电解质上的ASR值分别为0.038cm2和0.056cm2。800°C时，以0.3mm GDC为支撑体，以PBCFC和NBCFC阴极的单电池最大功率密度分别为659mW cm2和535mW cm2。此外，PBCFC–GDC和NBCFC–GDC复合阴极，有效地降低了材料的TEC，改善了电学性能。采用溶胶-凝胶法合成出了B位有序的双钙钛矿氧化物La(Ca)SrCoTiO5+(LCCT,LSCT)。XRD数据Rietveld晶体结构精修发现，LCCT和LSCT属于立方结构空间群为Fm3m (225)，其中B位Co和Ti有序排布。该样品与LSGM和SDC电解质在1000°C煅烧10h具有良好的化学兼容性。XPS研究表明，混合价态的Co3+和Co2+(55:45和54:46)共存在LCCT和LSCT样品中。LCCT和LSCT样品的电导率随温度的升高而升高，呈现出一种典型的p型半导体导电行为。与未掺杂的LaSrCo2O5+(La0.5Sr0.5CoO3–)相比，Ti和Co共存的LCCT和LSCT的样品具有较低的TEC和良好的稳定性。800°C时，LCCT和LSCT阴极在LSGM上的ASR值分别为0.245cm2和0.056cm2，最大功率密度分别为354mW cm2和776mW cm2。通过制备LCCT–SDC和LSCT–SDC复合阴极，进一步优化了材料的TEC和电化学性能。LCCT–50SDC和LSCT–50SDC的平均TEC值分别为13.9×106K1和15.1×106K1。最佳复合比例的LCCT–20SDC和LSCT–30SDC复合阴极在800°C时，ASR值分别为0.133cm2和0.036cm2，最大功率密度分别为454mW cm2和828mW cm2。以上结果表明，LSCT及其复合阴极更有潜力作为阴极材料。我们合成出了单相立方结构的双钙钛矿氧化物Sr2CoFeO5+(SCF)，其与LSGM、SDC和GDC电解质在950°C以下具有良好的化学兼容性。SCF样品中存在Co4+/Co3+和Fe4+/Fe3+的混合价态，最大电导率值为321S cm1。XPS研究发现，SCF样品中Fe和Co离子以3+和4+存在。氧的程序升温脱附(O2–TPD)研究发现SCF–SDC复合材料具有比SCF更加稳定的化学结构。与SCF样品的TEC (24.4×106K1)相比，SCF–SDC复合阴极具有更低的TEC值(如，SCF–50SDC复合阴极TEC值为16.3×106K1)。800°C时，最佳比例SCF–40SDC复合阴极的ASR和最大功率密度分别为0.036cm2和757mW cm2。以上结果表明，SCF–SDC复合阴极有希望作为IT-SOFC的阴极。为了进一步优化SCF材料的性能，我们采用溶胶-凝胶法合成出了Al和Mo掺杂的双钙钛矿材料Sr2Co0.6X0.4FeO5+(X=Al, Mo; SCAF, SCMF)。XRD结构精修表明，SCAF和SCMF具有立方双钙钛矿结构空间群为Fm3m (225)，其与LSGM和SDC电解质在950°C以下具有良好的化学兼容性。O2TPD测试证实，SCAF和SCMF表现出比母体材料更好的化学稳定性。XPS研究表明，SCAF和SCMF样品中过渡族金属离子存在不同的化合价态：[Sr2+]2[Co3+/4+]0.6[Al3+]0.4[Fe3+/4+]O5.57，[Sr2+]2[Co3+/4+]0.6[Mo5+/6+]0.4[Fe3+/4+]O5.68。SCAF和SCMF具有p型小极化子导电模式，最大电导率分别为45S cm1和129S cm1。SCAF和SCMF样品在30–1000°C间的平均TEC分别为20.6×106K1和19.4×106K1，明显低于未掺杂的SCF样品的TEC值。750°C时，以LSGM和SDC为电解质，SCAF阴极的ASR值分别为0.070cm2和0.068cm2，SCMF阴极的ASR值分别为0.068cm2和0.056cm2。800°C时，以SCAF和SCMF为阴极，0.3mm SDC支撑体的单电池最大功率密度分别为706mWcm2和718mW cm2。以上结果表明，双钙钛矿氧化物SCAF和SCMF有希望作为IT-SOFC的阴极。