随着全球能源短缺和环境污染问题日益凸显,发展高效率和低成本的新能源技术成为解决能源和环境问题的迫切需求。作为一种典型的可持续清洁能源转换技术,固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）可以将氢气、甲烷、天然气、煤气等燃料中的化学能直接转换为电能,具有高转化效率、低污染和燃料灵活等优点,可以有效缓解能源和环境危机。然而,当前SOFC的发展受限于其电解质层——钇稳定的氧化锆（YSZ）对温度的高需求（＞700 oC）,造成了电池启动缓慢、密封困难、部件不匹配和寿命衰减等问题,使SOFC商业化进程受阻。为了解决这一问题,需要开发在低温（400～600 oC）下具有高离子电导率的电解质替代材料。在各种电解质替代材料中,掺杂CeO2(如Ce0.8Sm0.2O2-δ,SDC)由于在中低温区间表现出比YSZ更高的离子电导率而广受关注,在进一步开发低温电解质方面有巨大的潜力。然而,离子掺杂的方式受到晶体结构和可迁移氧离子数目的限制,当温度低于600 oC时,掺杂CeO2的离子电导率大幅度下降。近年来的研究表明,基于表界面工程的异质结构体系在低温下可产生界面离子增强效应,是提升固体氧化物离子电导率的有效措施。因此,本论文以CeO2为基础单元构建了多种异质结构材料,通过对其微结构特征、低温电学和电化学特性以及离子传输机制的研究,开发了可应用于低温SOFC的新型电解质。主要结论如下:1.通过在线还原气氛处理的方法在CeO2表面构建了质子快速传输通道,采用表征技术验证了CeO2表面的氧缺陷层,发现该材料呈CeO2/CeO2-δ核壳结构。经过电化学测试,发现该异质结构材料具有优异的质子传输特性,在520 oC下质子电导率高达0.16 S cm-1,应用于SOFC电解质层后获得了697 m W cm-2的输出功率密度。进一步通过理论计算,验证了该异质结构材料CeO2/CeO2-δ界面处形成的空间电荷区对质子传导的促进作用,并依此建立了质子的界面穿梭模型。这项工作为低温SOFC提供了一种新型的CeO2基异质结构电解质和离子传输机制。2.在BaZr0.8Y0.2O3（BZY）中引入CeO2构建了半导体离子异质结（SIH）电解质,将BZY的离子传导形式由体传导调制为表界面传导。通过材料表征和电化学测试,发现该异质结电解质所构建的界面内建电场对离子传导具有促进作用,使CeO2/BZY在520 oC下获得了0.23 S cm-1的离子电导率,远高于BZY的离子电导率(0.04 S cm-1),验证了界面传导的优异性。此外,基于该异质结电解质构建了SOFC器件,对器件施加1.2 V电压和31.2 MPa蒸汽分压下进行水电解测试,在520 oC下获得了3.2 A cm-2的高电解电流输出,验证了该异质结构电解质在SOFC和SOEC（固体氧化物电解池）中的双重功效。这项工作呈现了一种将电解质的体传导调制为表界面超导的设计思路。3.根据能带匹配原理设计并构建了LSCF-CeO2异质结构作为SOFC的电解质。采用湿化学法将不同组分的CeO2与SOFC常用阴极La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ（LSCF）复合,采用电化学测试进行对比分析,发现LSCF-20%CeO2异质结电解质获得了最优的SOFC性能,在520 oC时其输出功率达到了501 m W cm-2。通过元素价态和表面电势分析,发现该样品的表面氧空位浓度高于其他组分,并且其异质界面处存在内建电场,为离子输运提供了有利条件。这项工作为燃料电池电解质的设计提供了可行的参考。4.将LNO（LaNiO3）作为电解质层应用在SOFC中,通过电化学测试发现LNO在燃料电池气氛下发生了相变,使得其半导体电子特性向半导体离子特性转变。进一步将不同比例的CeO2引入LNO（LNO:CeO2=9:1,8:2,7:3,6:4）构建了LNO/CeO2半导体异质结构材料,大幅度提升了LNO电池的输出功率,在520oC时为983 m W cm-2（7:3）。采用表征测试,发现材料由电子导电向离子传导转变的主要原因是还原气氛导致了能带位置的下移和禁带宽度的增加。在构建LNO/CeO2异质结后,由于能带的匹配和内建电场的建立促进了相变的程度。这项工作为开发新型半导体异质结构电解质提供了新的思路。本论文构建了不同类型的CeO2基半导体异质结材料,并研究了其离子传输特性、机制以及应用于低温SOFC电解质层的可行性,获得了优异的离子电导率和电池性能,为开发可应用于低温SOFC的新型电解质提供了实验基础和理论依据。