固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化为电能的能量转化装置，具有高效、清洁、全固态结构、燃料适应性广等优点，受到人们广泛关注。SOFC主要由致密电解质与多孔阴阳极组成，其中阴阳极的工作环境以及工作任务不同，通常选用不同材料。如果将一种材料同时作为SOFC阴阳极，即构建对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)，将带来巨大优势。与传统SOFC相比，SSOFC可以简化制备工艺，降低生产成本，同时减少需要考虑的界面匹配问题。更重要的是，这种构型可以通过反转两极气体的方式氧化阳极积碳，并恢复因此导致的性能衰减。但想要找到一类既能在氧化与还原气氛中保持结构稳定，又具有良好催化活性的材料十分困难，目前仅有少数材料满足要求。锰基A位层状钙钛矿材料LnBaMn205+δ作为一类潜在的SSOFC电极材料备受关注。


本论文以该材料为基体，通过第一性原理计算，从材料电导和催化角度考虑，筛选了A位镧系元素;进而通过B位不同种类元素的掺杂，控制材料的化学膨胀和催化活性，综合改善电极的电化学性能。首先对LnBaM2O5+δ(Ln=La，Pr，Nd，Sm，Gd，Y)进行第一性原理计算，研究不同镧系元素对材料晶胞参数、结合能及电子结构的影响，将材料的电子结构特征与材料的电导性质及催化活性相关联，为A位镧系元素的选择提供理论依据。Ln=Sm，Gd这两类材料热力学稳定性最好，Ln=Pr，Nd，Sm这三类材料的电学和催化活性具有潜在优势。综合考虑，选择Sm作为A位元素。研究了SmBaMn2O5+δ在不同气氛及温度下的结构演变特性及氧含量变化，表征了材料在不同气氛中的电导率及材料对氢气与空气的催化活性，并研究了对称全电池在不同温度下的输出功率特性。


研究结果表明，SmBaMn2O5+δ在较宽氧分压下保持层状钙钛矿结构，在氧化和还原气氛下均具有较高电导率，合适的热膨胀系数以及良好的催化活性，在900℃氢气与空气中的极化阻抗分别为0.314，0.066Ωcm2。以SmBaMn2O5+δ为对称电极的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)电解质(～300μm)支撑SSOFC在900℃时的最大功率密度达到565 mW cm-2，阳极浸渍15 wt%Co-Fe合金作为催化剂后可达782 mW cm-2。为减小材料化学膨胀，选择金属氧键强较强的Mg/Ti取代部分Mn，通过减小非化学计量氧含量变化，显著降低材料化学膨胀，有效改善材料氧化还原结构稳定性，增强电极与电解质膨胀匹配性。还原态与氧化态SmBaMn1.9Mg0.1O5+δ的质量差比SmBaMn2O5+δ小28%，还原/氧化过程的化学膨胀比SmBaMn2O5+δ分别小21%与39%。SmBaMn1.9Ti0.1O5+δ对称电池经历数次氧化还原循环时，因气氛变化导致的欧姆阻抗增长量较小。Mg，Ti掺杂并未严重恶化其催化活性，以Mg掺杂、Ti掺杂材料为对称电极组装的LSGM电解质(～300μm)支撑SSOFC在900℃时的最大功率密度分别为596，603 mW cm-2，同时表现出可观的短期稳定性及抗热循环性能。


为进一步改进对称电极材料的催化活性，构建了A位缺位、B位掺杂Co的(SmBa)0.9Mn1.8Co0.2O5+δ，材料在还原气氛中原位析出金属Co纳米颗粒，氧化后转变为纳米Co3O4。该材料展现出优异的氧表面交换能力与杰出的催化活性，在900℃氢气与空气中的极化阻抗分别为0.214，0.039Ωcm2。阴阳极电极反应机理的系统研究表明，氢解离过程与电荷转移过程分别为阳极、阴极反应的主要限速步骤，阳极Co的存在主要促进了氢的解离过程，阴极Co3O4的存在同时促进了氧的电荷转移过程及氧气吸附解离过程。以(SmBa)0.9Mn1.8C00.2O5+δ为对称电极组装的LSGM电解质(～300μm)支撑SSOFC在900℃时的最大功率密度可以达到712 mWcm-2，输出功率特性相比于其他材料体系更为优越，表明该材料是一种非常具有发展前途的SSOFC电极材料。