世界经济快速发展引起了能源需求的日益增长，许多新型的能源转化技术正在被开发出来。其中能量转换效率高、有害物排放少的固体氧化物燃料电池(SOFCs)是非常有竞争力的能源转化装置。SOFCs在800-1000℃的操作温度下能够把化学能高效地转化为电能并且附加产出高品位的热能。　　研究者认为推进这种先进技术商业化进程的关键是降低材料与制备的成本、延长使用寿命。因此操作温度在500-800℃间的中低温SOFCs(IT-SOFCs)吸引了非常多的研究者关注。然而，氧在传统阴极上的氧还原反应(ORR)一般被严格地局限在电极-电解质-氧化气组成的三相界(TPB)，当电池在中低温操作时，会导致其产生非常大的活化能和极化电阻。因此，为了提高ORR活性，需要开发能使反应活性位从TPB扩展到整个电极表面的新型阴极材料，同时分析氧在电极上的ORR机理，也可以为进一步优化和开发高电化学性能阴极材料提供理论支持。　　首先，为了开发高电化学性能的IT-SOFCs，本论文研究了A位阳离子有序的PrBaCo2O5+δ(PBC)混合离子-电子导体在掺杂的氧化铈(SDC)电解质上作为电极的基本性能。PBC氧化物与SDC电解质之间即使在1100℃的高温下焙烧也没有发生明显的相反应，说明两者之间是化学相容的。本论文又利用电化学阻抗谱(EIS)法研究了PBC的ORR机理，在整个450-700℃的操作温度下，发现电极的极化电阻主要来源于氧离子在电极-电解质界面的转移以及电荷在电极表面的转移。以薄膜SDC为电解质，PBC为阴极制备的燃料电池在600和450℃时的峰值功率分别达到625和165 mW cm-2。　　紧接着，本论文研究了通过喷涂沉积把PBC制备到SDC电解质后的阴极层焙烧温度对性能的影响，发现焙烧温度对颗粒尺寸、孔隙率、颗粒间的粘结性以及PBC和SDC两层间的物理接触有非常大的影响。论文考察了不同温度焙烧下的电极极化电阻，发现当阴极焙烧温度为1000℃时，可以获得最小的极化电阻和阴极过电势。根据极化电阻和测试氧分压之间的关系，发现有两个主要的ORR过程影响着电极的性能，ORR中的速控步骤从焙烧温度较低时的电荷转移变化到焙烧温度较高时的非电荷转移过程。以1000℃的最优焙烧温度制备的PBC为阴极的电池在650℃时的峰值功率密度达到了835 mW cm-2。本章的结果表明优化阴极的焙烧温度可以进一步提高电池的电化学性能。　　为了进一步提高PBC的电化学性能，本论文又研究了PBC+ SDC复合电极中的SDC含量对材料的热膨胀性能、电导率、氧脱附性能以及电化学性能的影响。热膨胀系数和电导率都随着SDC含量的增加而减小。不过即使SDC的含量达到50 wt％，复合电极的电导率在600℃依然大于150 S cm-1。在所研究的电极中，含30 wt％ SDC的电极展现出了最优的电化学性能，以此电极制备的电池在650和550℃时的峰值功率密度分别为1150和573 mW cm-2。本论文认为70wt％ PBC+30 wt％ SDC的复合阴极展现出的最优的电化学性能主要是由于只具有二维导氧离子能力的多晶PBC的氧离子传导路径被具有三维导氧离子能力的SDC缩短所引起的。　　Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)是IT-SOFCs阴极中具有最优电化学性能的阴极之一，其优异的性能与氧在BSCF氧化物的表面交换和体相扩散系数非常相关。在第六章中，本论文通过电导驰豫(ECR)研究了BSCF在不同温度、不同氧分压下的体相扩散系数(Dchem)和表面交换系数(kchem)。根据Nernst-Einstein方程，计算得到BSCF在600，700和800℃的氧离子电导率分别为0.07，0.25和0.96 S cm-1，和文献中通过透氧膜获得的值非常接近。通过ECR和氧程序升温脱附技术研究了CO2对BSCF的影响，发现CO2的存在会降低kchem值，但是这种BSCF表面的中毒效应在900℃的氧化气氛下焙烧可以去除，从而使得性能恢复。　　虽然先前的研究表明BSCF的氧离子电导率几乎是目前报道的阴极材料中最高的，但是BSCF的电子电导率相对较差。为了进一步提高BSCF的电子电导率，本论文研究了不同Co3O4含量的BSCF+ Co3O4复合物作为IT-SOFCs电极的可能性，发现Co3O4的加入不会影响到BSCF原来的相结构，所有的衍射峰都能和物理混合的BSCF+Co3O4对应。尽管Co3O4本身是电导率非常低的半导体，但是BSCF与其混合后，复合物的总电导率却是增加的，对称电池结果表明适当的添加Co3O4可以降低电极的极化电阻和活化能。当Co3O4的量达到10 wt％时，电极具备最佳的电化学性能，本论文认为BSCF和Co3O4间的协同作用是其电导率和电化学性能增加的原因。以90 wt％ BSCF+10 wt％ Co3O4为电极，薄膜SDC为电解质的阳极支撑型的单电池在600℃时的峰值功率密度为1150 mW cm-2。　　无论是PBC还是BSCF等一些含钴的阴极材料都被认为和YSZ电解质之间是化学不相容的。在第七章，本论文尝试通过一种简单的以Co3O4为烧结助剂的方法使得含钴电极能够直接应用于YSZ电解质上。Co3O4烧结助剂的加入使得阴极层在800℃焙烧后获得了颗粒之间、电极-电解质界面之间接触良好并且在界面处没有界面反应发生的电池。这种电池的极化和欧姆电阻均低于未添加Co3O4的电池，以此方法制备的单电池也展现出了非常优异的功率输出，如以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ+Co3O4在800℃直接焙烧到YSZ电解质上制备的单电池的峰值功率密度在750℃时可以达到1176 mW cm-2。这为开发高性能的IT-SOFCs提供了一种新方法。　　针对含钴电极存在的缺点以及氧离子在双钙钛矿氧化物中只在稀土层传递的特点，本论文研究了用铁离子完全取代钴离子的LnBaFe2O5+δ(Ln=La, Pr, Nd，Sm，Gd和Y)系列材料作为IT-SOFCs的阴极。其中，LaBaFe2O5+δ的电导率最大，YBaFe2O5+δ的热膨胀系数(TEC)最小，其TEC在200-900℃范围内仅为14.6×10-6 K-1。LnBaFe2O5+δ的氧含量，电导率，TEC均和A位的稀土离子相关。以SmBaFe2O5+δ为电极制备的单电池在800，750，700，650和600℃下的峰值功率密度分别为1026，748，462，276和148 mW cm-2。这些结果表明LnBaFe2O5+δ电极中的某些材料是可以被用作为潜在的IT-SOFCs阴极。