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质子导体固体氧化物燃料电池(Proton conducting solid oxide fuel cells,HSOFC)在能源转化领域发挥着极为重要的作用,其活化能低、能源利用率高、发电效率高、并且能够直接将化学能转化成电能。此外,H-SOFC在能源转化的过程中唯一产物是水,是一种清洁能源转化的有效途径,有利于我国能源的可持续发展。H-SOFC的发展将会对传统的诸多行业发起挑战,将有望逐渐替代使用传统能源的发电设备。为了使其在中温水平(600~800℃)维持较好的性能,我们必须提高其在中温条件下的反应活性,特别是阴极的质子传导能力和氧还原(Oxygen reduction reaction,ORR)能力等。因此本文通过掺杂有效元素,控制晶面和微观结构等方法对H-SOFC中的阴极材料进行改性,并且采用基于第一性原理的密度泛函理论(Density functional theory,DFT)计算对材料进行预测,对材料的空位形成,水合及质子传导过程进行预判,从而制备出适用于H-SOFC的阴极材料。本文首先介绍了质子导体固体氧化物燃料电池的应用及发展前景,阐述了其反应原理及目前质子导体发展所面对的一系列问题;系统介绍了应用于H-SOFC的阴极材料及在阴极材料中的反应原理和决速步骤,着重介绍传统以及新型阴极材料的使用和发展。对于目前实验手段在H-SOFC材料探索时的局限,我们采用了基于第一性原理的密度泛函理论来进行分子模拟计算,从而达到对材料性质的预测。因此本文对基于第一性原理的密度泛函理论进行了简单的介绍,并阐述了密度泛函理论的自洽过程。此外,简单介绍了基于密度泛函理论的计算软件VASP简介以及密度泛函理论在材料学中的地位和应用。在理论模拟计算的帮助下,我们提出了合理设计质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFC)的高性能阴极的方法,从而开发出增强质子传导的新材料。其中,钾用于掺杂传统的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF),无论从实践还是从理论上来说,这都是有益水合的方法。使用理论研究来克服无法直接测量质子迁移率的限制,与不含K的样品相比,新型材料Ba0.4K0.1Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BKSCF)显示出较低的总质子迁移能,表明K掺杂增强了质子传导,从而显示出更高的性能,从而将反应活性位点扩展到整个阴极区域。使用新型BKSCF阴极的燃料电池在600和700°C时的功率密度分别为441和1275 m W cm-2,明显高于使用原始BSCF阴极的燃料电池的性能。此外,我们通过掺Pr来优化第一代阴极La0.5Sr0.5Fe O3-δ(LSF),成功地扩展了阴极反应活性区域,在700℃时,新型材料La0.35Pr0.15Sr0.5Fe O3-δ(LPr SF)的峰值功率密度显著提高至1083 m W cm-2,与使用LSF阴极的电池相比功率密度几乎提高了一倍。最后揭示了选择性暴露(001)晶面的Co3O4纳米颗粒可以加速固体氧化物燃料电池的阴极反应,这是提高燃料电池性能的关键。使用Co3O4纳米立方体的LSM-SDC的电池在500、550、600、650和700℃时的峰值功率密度分别为152、248、500、863和1126 m W cm-2。而使用商业化Co3O4电池功率在600℃时仅达到179 m W cm-2,显示出调节Co3O4纳米颗粒晶面对于燃料电池性能起到的关键作用。