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固体氧化物燃料电池（SOFC）作为第三代燃料电池技术,可以将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能和热能,具有转换效率高、燃料适用性强、环境友好等特点。一些具有离子-电子混合电导率的ABO3型钙钛矿结构的氧化物可作为SOFC阳极的备选材料,具有抗积碳、抗硫毒化、氧化还原稳定等优点。钙钛矿阳极的催化活性与B位元素的种类密切相关,B位为Ti、V和Cr元素的钙钛矿阳极材料在还原气氛中结构稳定,但催化活性较低。钙钛矿型铁酸盐以往多用作SOFC阴极材料,对氧还原反应（ORR）具有良好的催化活性,但在还原气氛中会发生分解,无法保持ABO3晶格结构。本论文以解决钙钛矿阳极材料的结构稳定性和性能提升为目的,开展了高价过渡族金属元素（Nb、Ta）掺杂及金属纳米颗粒出溶方面的研究。首先,在La0.8Sr0.2FeO3-δ（LSF）的B位掺杂正五价元素铌（Nb）,制备了La0.8Sr0.2Fe0.9Nb0.1O3-δ（LSFNb）新型钙钛矿材料。Nb的掺杂显著提升了LSF在还原气氛中的结构稳定性和电子电导率,LSFNb作为SOFC的阳极展现出良好的电化学性能和长期稳定性。在对LSFNb阳极进行硫化氢毒化和中毒机理的研究中,发现向阳极气室中通入含有高浓度H2S的H2时,LSFNb阳极性能保持稳定,说明其具有极强的抗硫毒化能力;全电池性能的衰退是由于硫通过陶瓷密封胶扩散到阴极气室中,在静态空气中氧化导致（La0.75Sr0.25）0.95Mn O3-δ（LSM）和（Sc2O3）0.1（Ce O2）0.01（Zr O2）0.89（Sc SZ）复合而成的阴极发生明显的硫中毒所导致的。微观观测发现,在硫毒化期间LSFNb阳极表面会动态生成Fe S纳米颗粒和超薄的硫化物层,这些硫化物在停止通入H2S后在LSFNb表面消失。此外,我们将电池硫毒化过程分为瞬间提升、快速衰退和缓慢衰退三个阶段,分别与Fe S纳米颗粒的迅速产生、LSFNb阳极硫中毒和LSM-SCSZ阴极硫中毒有关。以LSFNb作为直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）的阳极,以活性炭和玉米秸秆为燃料,在850℃单电池的初始最大功率密度（MPD）分别为302.8和218.5 m W cm-2。以25 m A进行恒流放电,两种燃料的放电时间分别达到17 h和22 h,且使用秸秆炭时电池的输出性能稳定并具有更高的燃料利用率。玉米秸秆炭灰分低、热反应活性高;活性炭则具有更大的比表面积和碳气化反应速率,这对于电池的输出性能具有更加重要的影响。为了进一步提升LSFNb钙钛矿阳极的电化学性能,我们在其B位以非化学计量比的形式掺杂贵金属Pd,制备了La0.8Sr0.2Fe0.9Nb0.1Pd0.04O3-δ（LSFNP）钙钛矿氧化物。还原气氛中,Fe和Pd纳米颗粒在LSFNP表面出溶,提高了阳极的电化学性能。程序升温H2脱附实验证明Pd的引入显著提升了LSFNb吸附氢气的能力,同时在较低温度和较稀薄的氢气燃料环境（650℃、5%H2/Ar）中,使用Pd出溶的LSFNP阳极的电池MPD达到使用母体LSFNb阳极时的18.1倍。通过活化能计算,定量评估了Pd出溶对LSFNb阳极的性能提升幅度。为了研究晶体结构对Nb掺杂铁酸盐体系稳定性的影响,设计并制备了双钙钛矿结构的Pr Ba Fe1.75Nb0.25O5+δ（PBFNO）新型阳极材料。在实验中发现PBFNO在还原气氛中缓慢分解,但其电导率和对氢气的吸附能力随分解程度的增加持续增加。以PBFNO为阳极的单电池在800℃氢气中的MPD为700 m W cm-2,阳极的电化学性能在运行期间也持续提升。PBFNO阳极经过短期运行后表面生成大量的纳米颗粒,但长期运行期间会发生严重团聚,这一现象揭示了从稳定的母体钙钛矿中出溶的纳米颗粒和通过分解而形成纳米颗粒具有不同的产生机制和特点。分解产生的纳米颗粒的金属-氧化物界面结合作用更弱导致其形貌稳定性较差。为了研究其他高价元素的掺杂是否也会稳定铁酸盐的钙钛矿晶格以及对掺杂量进行优化,我们在LSF的B位掺杂不同含量的钽,制备了La0.8Sr0.2FeO3-δ（LSF）母体材料、La0.8Sr0.2Fe0.95Ta0.05O3-δ（LSFTa05）和La0.8Sr0.2Fe0.9Ta0.1O3-δ（LSFTa10）新型阳极材料。对比研究发现,LSF阳极在湿氢中结构不稳定,仅在初期具有较高的输出性能,在长期运行中阳极颗粒严重团聚且电化学性能有所衰退。LSFTa05和LSFTa10在还原气氛中结构保持稳定,说明Ta的引入可以稳定LSF晶格。LSFTa05阳极的电化学性能明显高于LSFTa10,表明Ta掺杂量过高会导致氧空位含量和电化学性能的下降。使用LSFTa05阳极的电池在800℃运行50 h后的MPD高达441.7 m W cm-2。通过第一性原理计算,我们证明了Ta的引入导致钙钛矿氧化物的形成焓增加和氧空位形成能增加,从而有利于稳定钙钛矿结构晶格。此外,氧空位形成能和态密度计算成功地解释了Ta掺杂LSF系统的电导率特征。