能源危机和环境污染是全球在可持续发展道路中所面临的难题。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效和环境友好型的能源转换技术,目前高温(>750^oC)和制造成本制约了其商业化进程。为了使SOFC更具竞争力,人们致力于寻找低温、高性能、低成本的SOFC关键材料。电解质的欧姆电阻和电极的界面极化电阻是决定SOFC的性能的重要因素。因此,新型电解质和电极材料的开发是目前SOFC领域的研究热点。本论文研究了铜铁矿基复合纳米材料的结构形貌和电化学性能之间的关系,展示了铜铁矿基复合纳米材料在低温固体燃料电池领域的应用前景。本论文的创新点包括:将铜铁矿基复合材料作为电解质应用于SOFC中,开发低成本、高性能的SOFC关键材料,为天然矿物材料在SOFC中的应用提供了新的思路;通过引入第二相构筑异质界面,进一步提高铜铁矿电池的电化学性能,讨论异质界面对SOFC离子传输及电池性能的影响;构建Cu Fe O₂-Ni_0.8Co_0.15Al_0.05Li O_2-δ(NCAL)复合阴极,讨论阴极材料的氧还原反应(ORR)电化学行为。论文的主要工作内容和研究成果如下:1.探究天然铜铁矿(CF)电解质结构和组成对离子传导影响。通过将天然铜铁矿(CF)破碎、选矿、研磨、过筛和高温处理后,作为电解质组装燃料电池进行电化学测试。在550 ^oC时,天然铜铁矿电池的开路电压(OCV)可达到1.04 V,最大功率密度可达到423 m W cm^-2。研究发现铜铁矿中,质子通过Cu⁺-(Cu-H)⁺的还原和氧化循环在Cu-O层进行传导。2.探索天然铜铁矿复合电解质的复合结构、组成对低温SOFC电池性能的影响。天然铜铁矿复合纳米材料后,电导率显著增加,电极极化有效降低。将天然铜铁矿(CF)与Li_xZn O-Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ(LZSDC)复合,制备CF-LZSDC复合材料后,将CF-LZSDC用作电解质,组装了燃料电池器件进行测试,研究了CF-LZSDC复合材料的组成与离子传导的关系。研究发现铜铁矿纳米复合后,电解质电导率升高到0.312 S cm^-1,并且降低电池的电极极化,从而提升整体电池的电化学性能。在550 ^oC时,CF-LZSDC电池的OCV可达到1.14 V,最大功率密度可达到637 m W cm^-2。本论文中制备了一系列不同制片压力的CF-LZSDC燃料电池,研究了制片压力对燃料电池的微观形貌和电化学性能的影响。最佳制片压力可通过最大接触和优化的连续路径有效实现电池的性能优化。3.构建合成铜铁矿复合电解质Zn O-Cu Fe O₂异质结结构,讨论半导体电荷分离在SOFC器件中的电化学性能中的作用。通过合成Zn O-Cu Fe O₂复合纳米材料,将Zn O-Cu Fe O₂作为电解质组装燃料电池器件进行测试。Zn O-Cu Fe O₂纳米复合材料可以构筑起到电荷分离和阻止电子传输作用的异质结。在550 ^oC时,Zn O-Cu Fe O₂电池的OCV可达到1.03 V,最大功率密度可达到468 m W cm^-2。异质结的引入提高了SOFC电池性能。4.构建Cu Fe O₂-NCAL新型复合阴极,讨论该阴极组成对低温氧还原反应的催化作用。合成了Cu Fe O₂-NCAL复合纳米阴极材料,研究了阴极组成对ORR的影响。在600 ^oC时,NCAL/Ce O₂/Cu Fe O₂电池具有0.89 V的OCV和289 m W cm^-2的功率输出。将等量的NCAL与Cu Fe O₂复合后,燃料电池在600 ^oC时可获得1.02 V的OCV和523 m W cm^-2的功率输出。此工作揭示了铜铁矿基复合材料作为低温SOFC电解质和电极材料的可行性,使低温SOFC成为一种更具经济竞争力的能源转换技术。本研究为用天然矿物复合材料开发具有良好市场前景的低温固体氧化物燃料电池提供了新的途径。