本文针对掺杂的氧化铈基中温固体氧化物电解质材料进行了研究,在理论分析和实验的基础上探讨了掺杂剂对电解质电学性能的影响。 在原子尺度,采用能量最小化算法,运用GULP程序,对掺杂碱土金属氧化物MO(M²⁺:Ca²⁺,Sr²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺)和三价金属氧化物M₂O₃(M³⁺:Al³⁺,Y³⁺,Gd³⁺,La³⁺)的CeO₂电解质材料的缺陷行为,如基本点缺陷,缺陷复合体形成和氧空位跃迁进行了研究。 通过模拟MO掺杂的氧化铈基电解质缺陷行为研究发现,通过氧空位电荷补偿缺陷形式,与Sr²⁺,Ba²⁺,Mg²⁺相比Ca²⁺固溶能低:CeO₂晶格常数随着CaO、SrO、BaO掺杂量的增加而增加,随着MgO掺杂量的增加而减少;Ca²⁺与氧空位形成[M″_Ce·V_?]^×缺陷对的束缚能最低;带电缺陷体[V_?·M″_Ce·V_?]¨在CeO₂中是不稳定结构,中性缺陷体[V_?·M″_Ce·V_?·M″_Ce]^×是稳定存在的缺陷结构;氧空位在次近邻间的跃迁能最低,因此最容易实现跃迁。通过模拟M₂O₃掺杂的CeO₂基电解质材料的缺陷行为发现,在三价离子固溶于CeO₂反应中,掺Gd³⁺的固溶能低,掺Al³⁺的固溶能比稀土元素高;随着Gd₂O₃、La₂O₃掺杂量的增加,CeO₂晶格常数增加,Y₂O₃与之相反;氧空位趋向位于半径比Gd³⁺小的掺杂离子的第一近邻位置,而对于比Gd³⁺半径大的离子,氧空位位于其第二近邻位置,掺杂离子Gd³⁺和氧空位的结合能最大,Al³⁺与氧空位的结合能最小;掺杂Al³⁺离子时,氧空位跃迁能比掺稀土离子的高。因此掺杂稀土氧化物可以有效地提高导电率。 采用固相反应法制备掺杂的氧化铈电解质材料。掺杂Gd³⁺的电导活化能实验值和本文的理论计算值误差百分数为4%,而掺Ca²⁺的电导活化能实验值和本文的理论值误差较大。