固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种能量转换装置,因其燃料选择多样,能量转换效率高,可忽略的有毒气体排放量而受到了广泛的关注。燃料电池主要由三个部分组成:多孔的阳极和阴极以及致密的电解质。根据电解质传导离子的类型,SOFC可以分为两大类:氧离子型固体氧化物燃料电池（O-SOFC）和质子型固体氧化物燃料电池（P-SOFC）。高工作温度一直是限制固体氧化物燃料电池商业化的一大障碍,为了降低工作温度,研究者们将目光投向了质子型固体氧化物燃料电池,因为相对氧离子来说,质子的尺寸要小得多,流动性更强。质子导体的离子扩散活化能低于氧离子导体的离子扩散活化能,这也使得中低温下质子导体材料的电导率要大于氧离子导体材料的导电率。本文使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,主要针对质子型固体氧化物燃料电池的电解质和阴极材料做了以下两方面的研究:（1）Y,Nd共掺杂BaZrO₃的水合反应和质子传输机理研究由于良好的可烧结性,优异的质子传导性和较高的化学稳定性,Y和Nd共掺杂的BaZrO₃（BZNY）被认为是潜在的用于质子型固体氧化物燃料电池的新型电解质。为了研究Y和Nd共掺杂后BaZrO₃的性质变化,采用DFT+U方法研究了BZNY中的氧空位形成能,水合能,质子缺陷关联能和质子迁移能垒。计算研究表明,Y,Nd共掺杂对BaZrO₃电解质性能的提高具有协同效应,Nd的加入在Y单掺BaZrO₃的基础上进一步降低了水合能,而Y的加入有助于降低氧空位形成能,因此Y,Nd共掺杂有助于增强BZNY水合过程。我们进一步得出结论,BZNY中的氧空位形成能与相应位点的水合能成反比。另外,Nd的存在还有助于降低Y对质子的俘获作用,降低了质子迁移能,更有利于质子迁移。综上,我们的研究表明,Y和Nd的协同作用使BZNY具有出色的水合性能和良好的质子传导性,充分支持了BZNY在固体氧化物燃料电池（SOFC）中的潜在应用,并有助于开发其他高性能电解质。（2）Sr₃Fe_1.75Co_0.25O_7-δ的水合反应和质子传输机理研究具有双层Ruddlesden-Popper（R-P）结构的Sr₃Fe₂O_7-δ（SFO）最近被证明具有长期稳定性,高质子传导性,但是相对较低的O₂吸收活性。为了改善SFO作为P-SOFC中单相阴极的性能,将Co掺杂到SFO中可能是一个不错的选择。为了研究SFO和Co掺杂的SFO（SFCO）的水合过程和质子传导机理,采用DFT+U方法计算了其体相和表面性质,包括:电子结构,氧空位的形成和迁移能,质子稳定性和迁移能,表面能和表面氧空位形成能。我们得出结论,Co掺杂不仅可以提高电子传导率,而且可以增强SFCO的氧空位形成能力。尽管SFCO中的Sr-O-F和Sr-O-N层难以形成氧空位,并且是氧空位迁移的障碍,但质子在这些岩盐层中是稳定的。Sr-O-M层最容易形成氧空位,并且Sr-O-M层中的质子相对稳定。此外,Co掺杂可明显降低表面氧空位形成能,易于暴露的Co-Fe-O表面可促进表面上的水合反应。我们的工作提供了一个微观视角来研究SFO和SFCO中的水合和质子传导机理。它还可以提供有关掺杂元素,R-P结构及其相关性质之间关系的有益信息,这对于开发高性能R-P结构材料作为P-SOFC中的单相阴极很有帮助。