固体氧化物电池(SOC)是一种高效、清洁的全固态能量转化装置。soc的运行模式包括燃料电池(SOFC)和电解池(SOEC)。SOFC条件下,它可以直接将燃料及氧化剂中的化学能转换成电能；作为SOEC,它可以利用包括太阳能,风能等清洁能源,将CO2, H2O高温电解还原生成CO和H2,后者经过费-托合成,可以制备碳氢化合物燃料,方便运输和被现有基础设施利用,实现碳中和循环。因此SOC对发展和利用清洁能源,缓解能源危机具有重要意义。SOC在实际运行过程中仍然存在一些问题,包括燃料极的气体扩散极化损失和非还原性气氛下电极催化剂的稳定性。本论文主要目的是研制具有梯度孔结构的电极,以降低浓差极化损失；此外采用双钙钛矿电极催化剂,研究非还原气氛下的电解性能。主要包括三个部分：不对称梯度孔结构的燃料极支撑体制备；具有不对称结构支撑体的SOC应用于CO2到CH4的直接转化；钙钛矿基对称电池的制备及非还原性气氛下的电解表征。论文首先简要介绍了基于氧离子导体的SOC发展历史,工作原理和相关热力学常数,同时介绍了极化损失,燃料极关键材料和相转化法制备陶瓷支撑体的关键因素,并提出了本论文研究目标和研究内容。第二章制备具有梯度孔隙分布的不对称Ni-YSZ电极支撑体,提高了燃料极的电化学性能。采用石墨层辅助的相转化法,调控相转化过程,以形成梯度结构：从电极活性区到支撑体表面,孔隙率逐渐增加,孔径逐渐增大。与传统相转化法相比较,这种方法制备的支撑体,具有更连续的孔径分布和优异的N2透气性能,能够消除浓差极化。将这种结构应用到SOFC单电池中时,在850℃,10mLmin-1H2燃料气下,输出功率从0.50Wcm-2增加至0.64Wcm-2,燃料利用率也从34.8%提升到38.6%,并且消除了大电流条件下的浓差极化现象。将这种结构应用到SOEC单电池中时,有效地消除蒸汽匮乏现象,即H2O的浓差极化。因此,在低载气湿度和高负载电压的工作条件下,电池具有更高的氢气生成速率。例如在电解电压为1.3V,载气湿度为20v01%时,氢气生成速率可达到3.58mLmin-1cm-2,明显高于传统结构的2.39mL min-1cm-2。因此,这种梯度非对称结构有利于SOC呈现更好的电化学性能。第三章采用相转化方法制备具有非对称孔结构的管式Ni-YSZ支撑体,组装成长约8cm,外直径0.42cm的管式单元。这种管式设计,可将高温SOC和低温F-T合成整合在一个单元中,实现CO2到CH4的直接转化。测试SOC性能时,在SOFC运行模式下,800双C时的输出功率为0.48Wcm-2,总阻抗值为0.70Ωcm2。在SOEC运行模式下,以CO2-H2O共电解为例,在800℃,1.3V,载气湿度为40vo1%时,电解电流为0.47Acm-2,氢气的生成速率为3.24mL min-1cm-2。利用管式马弗炉的温区分布,在管式单元中以不同模式运行。最终可整合高温共电解和低温甲烷化两个过程,实现CO2到CH4的直接高效转化,CH4的产率从单独F-T低温合成的17.1%提升至整合体系的41.0%。24小时的测试表明,共电解电流可稳定在0.42Acm-2,尾气中CH4的平均含量为11.4%(0.84mLmin-1), CO2的平均转化率为64.1%。这种独特的管式设计,可实现电能到便于存储运输的化学能之间直接转化,为碳中和循环的发展提供新技术。第四章用流延相转化、浸渍法制备Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)-YSZ|YSZ|SFM-YSZ全陶瓷基对称电池,探索钙钛矿材料在非还原性气氛下共电解性能。对称电池在SOFC运行模式下,850双C时的输出功率达到0.84Wcm-2,欧姆阻抗仅为0.16Ωcm2。在SOEC的运行模式下,1.5V,800双C时的性能如下：1)使用H2为载气时,在60vo1.%的湿度下,电解蒸汽的电流密度达到2.14Acm-2；2)电解纯C02的电流密度可达0.97Acm-2；3)共电解CO2-H2O(非还原性气氛)电流密度达到1.18Acm-2(20vol.%H2O)。相对于纯C02电解,性能提升了21.6%。共电解测试过程中有0.2%/h的衰减速率。因此,需要优化全陶瓷基对称电池的电极结构,以提高稳定性。附录中,制备Pt/α-Fe2O3纳米异质结,通过控制多元醇还原过程中的温度和反应时间,控制α-Fe2O3上负载的Pt量和颗粒大小,通过TEM表征Pt生长位置和粒径分布,讨论了Pt纳米颗粒的生长机理。XPS谱图定量分析表面氧吸附物种含量及Pt纳米颗粒的由缺电子价态到金属价态变化规律。通过提出并量化特殊边缘密度概念和证实光生载流子对的有效分离,提出相应的光催化降解亚甲基蓝的初步机理。合理的Pt负载量可以提高体系的光催化效率,例如采用20mg Pt表面原子比含量为1.79%的Pt/α-Fe2O3纳米异质结粉体在150min内20W日光灯照射下,可将100mL的10mg L-1的MB降解了86%。