固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的能源装置,凭借着独特的优势,包括燃料多样性,能量转化率高,全固态和环保等备受关注。虽然SOFC的潜在市场应用很广,但是一些棘手难题严重限制了其广泛使用,特别是较高工作温度(800-1000°C)下存在稳定性变差和成本变高等问题。所以将操作温度下降到800°C以下是非常有必要的。随着温度的降低,阴极活性不足也限制SOFC发展。因此,目前学者们的研究重点是开发在中低温下具有高活性和高稳定性的SOFC阴极材料。(1)首先,采用固相球磨法开发并评估了一种新型阴极材料,Ta⁵⁺掺杂非钴基钙钛矿氧化物Sr Fe O_3-δ(SF)的Sr Ta_0.1Fe_0.9O_3-δ(STF)。研究了固定价态元素Ta⁵⁺掺杂对SF钙钛矿的影响,其中包括晶体结构,电子传导能力和氧还原反应(ORR)催化活性等方面的影响。通过热失重法(TGA)和碘滴定法滴定,得出STF相对于Sr Nb_0.1Fe_0.9O_3-δ(SNF)和SF具有较高的氧空穴浓度,且Sr Ta_0.1Fe_0.9O_3-δ具有较低的Fe平均氧化价态。STF的热膨胀系数(TEC)和电子电导率相比于SF均得到降低。电化学阻抗(EIS)结果显示,STF作为阴极材料拥有不俗的ORR催化活性,例如,在600°C下其比面积电阻(ASR)值仅为0.15Ωcm~2,明显优于相同测试条件下SNF的阻抗值。STF作为阴极材料应用在单电池上,在H₂作为燃料气下,650℃时的峰值功率密度高达891 m W cm^-2的,完全满足700°C下达到500 m W cm^-2的要求。为了进一步提升STF阴极材料的ORR催化活性,我们将STF和Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)电解质按照质量比7:3均匀混合,得到新的复合阴极。EIS结果显示,30%SDC电解质的引进,显著地提升了STF的电化学性能。STF+SDC为阴极,SDC为电解质的对称电池在600℃的ASR仅为0.115Ωcm~2,阳极支撑的单电池在650°C获得了1118 m W cm^-2的功率密度。(2)随后,通过固相球磨法合成了A位阳离子缺陷的非钴基材料Sr_1-xTa_0.1Fe_0.9O_3-δ(x=0、0.02、0.05、0.10和0.20)。S_1-xTF材料均可形成Pm-3m立方钙钛矿结构,并且所有材料均与SDC电解质具有很好的化学兼容性。材料的TEC和电子电导率都随着缺陷的增加而降低。EIS结果显示,Sr²⁺缺陷的引进,STF的性能得到提升,尤其是缺陷达到5%时,S_0.95TF表现出最佳的电活性。例如,其在600°C下的ASR值仅为0.095Ωcm~2,相比于STF下降率达到33%。并且测试S_0.95TF作为阴极材料的对称电池在通入不同含量CO₂的空气中ASR的变化。实验结果表明S_0.95TF不仅具有不错的ORR活性,还具有良好的抗CO₂中毒能力,在高浓度CO₂处理后,除去CO₂还能基本恢复原始的ASR值。测试了S_0.95TF作为阴极的对称电池在空气气氛下,运行240 h的ASR的变化,结果显示ASR无明显增加,说明了S_0.95TF有较好的稳定性。该类单电池在氢气为燃料气下,650°C时具有1140 m W cm^-2的功率密度,明显优于STF。