固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效、清洁地将化学能转换为电能的装置,在能源与环保问题日趋严峻的今天具有十分重要的应用价值。传统的SOFC操作温度在1000°C左右,为了降低SOFC的制备和运行成本,促进其商业化发展,开发操作温度在600-800°C的IT-SOFC已成为了科学界关注的重点。但是,对于传统的SOFC电极材料,降低操作温度通常会使极化电阻和欧姆电阻增大,导致电池输出性能下降。因此,发展新型IT-SOFC电极材料至关主要,而其关键在于开发高性能的阴极材料。采用溶胶-凝胶法制备出Fe和Ni完全替换Co的双钙钛矿结构IT-SOFC的阴极材料GdBaFeNiO5+δ(GBFN),并研究了其性能。经1150°C烧结10 h的GBFN阴极呈稳定的四方结构,并与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质在1000°C煅烧10 h后具有良好的化学兼容性。XPS分析表明,GBFN样品中存在混合价态的Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+离子,无自旋态的Ni2+离子有助于降低GBFN样品的平均热膨胀系数(Thermal expansion coefficient,TEC)。GBFN样品的平均TEC在30-1000°C温度范围为14.7×10–6 K–1,明显低于GdBaCo2O5+δ(GdBCO)和GdBaCoFeO5+δ(GBCF)的TEC值。在400°C时,GBFN样品的导电性为经历了从类似半导体到类似金属导电行为的转变。Fe和Ni全部置换Co元素的方式,提高了GBFN样品的结构稳定性。以SDC为电解质,Ni-SDC为阳极,800°C时GBFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.219?cm2和287 mW cm-2。此外,采用SDC浸渍的方法改善了GBFN阴极的电化学性能,相同测试条件下GBFN阴极的极化阻抗值降低了~14.2倍,单电池最大功率密度值提高了~1.9倍,800°C时SDC浸渍3次的GBFN复合阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.065?cm2和515 mW cm-2。在700°C经过20 h的稳定性测试,以GBFN阴极和SDC浸渍3次的GBFN复合阴极制备的单电池性能衰退较少。以上结果表明,GBFN复合阴极有希望作为IT-SOFC阴极材料。Fe和Ni全部置换Co元素极大程度地降低了含Co双钙钛矿材料的平均TEC,但也损害了材料的电化学性能。因此,从权衡材料的热膨胀、稳定性和电化学性能等多方面考虑,我们制备并研究了Fe和Ni部分置换Co的双钙钛矿结构阴极材料GdBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(GBCFN)和SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ(SBCFN),并对其性能进行了研究。经1000°C烧结10 h的GBCFN和SBCFN阴极,分别呈稳定的四方结构和正交结构,它们均与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质在1000°C煅烧10 h后具有良好的化学兼容性。XPS分析表明,G(S)BCFN样品中过渡金属均以混合价态的Co3+/Co4+、Fe3+/Fe4+和Ni2+/Ni3+存在,无自旋态的Ni2+离子有助于降低G(S)BCFN样品的平均TEC,与未掺杂的GdBCO和SmBaCo2O5+δ(SmBCO)材料相比,Fe和Ni共掺杂产生了更多的氧空位。空气气氛下30-900°C温度范围内,GBCFN和SBCFN样品的平均TEC分别为15.2×10–6 K–1和16.3×10–6 K–1,明显低于未掺杂或Fe在Co位单掺杂阴极材料的平均TEC值。GBCFN和SBCFN样品的电学性质均为小极化子导电模式,电导率分别在375°C和275°C达到了最大值,分别为24.7 S cm–1和64 S cm–1,明显高于无Co的GBFN阴极材料的电子电导率。此外,热重循环测试表明,Fe和Ni共掺杂使得SBCFN阴极具有更好的热稳定性。以SDC为电解质、NiO-SDC为阳极,800°C时GBCFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.187?cm2和317 mW cm-2,SBCFN阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.128?cm2和331 mW cm-2。为了进一步提高SBCFN阴极的性能,我们制备出SmBaCo2/3Fe2/3Ni2/3O5+δ–30 wt.%Sm0.2Ce0.8O1.9(SBCFN–30SDC)复合阴极材料。研究发现SBCFN与SDC的复合,明显降低了材料的TEC。在800°C时SBCFN–30SDC复合阴极的极化阻抗和单电池最大功率密度分别为0.046?cm2和531 mW cm-2。以上结果表明,SBCFN–30SDC复合阴极非常有潜力作为IT-SOFC的阴极材料。