固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能量转化率高、燃料适用范围广的新型能源技术,具有广阔的发展前景。当前,降低固体氧化物燃料电池运行温度,提高电池使用寿命和节约成本是SOFC的一个重要的发展方向。铈基材料正是一种适用于这类中低温固体氧化物燃料电池的关键材料。　　 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了四种四价离子掺杂对CeO2氧化还原性能的影响。采用第一性原理计算,系统研究了CeO2的电子结构、光学和晶格动力学性质。电荷密度和电子局域函数的分布特征表明,CeO2是呈现共价性质的绝缘体,这与通过光学反射技术获得的实验结果符合较好。介电常数、玻恩有效电荷张量和声子色散曲线与实验结果总体上是吻合的。基于考虑了Ce-4f电子之间强关联作用的PBE+U方案,采用第一性原理计算的方法系统研究了掺杂Mn,Pr,Sn和zr等对CeO2原子结构、电子结构和还原性能的影响。研究结果显示,通过掺杂这些离子,CeO2氧空位的形成能显著降低,同时CeO2的可还原性明显得到提高。在研究的过程中,针对形成氧空位后掺杂离子对体系中电子转移的影响,提出了两种不同的机制。我们认为,对于zr离子等掺杂的CeO2,氧空位形成能的降低主要是受到氧空位形成后结构扭曲的影响;而对于Mn,Pr和Sn等掺杂的体系,氧空位形成后电子首先转移到掺杂离子上而不是通常的Ce4+上,氧空位形成能的降低受到结构扭曲和电子转移的双重影响。研究发现,只有当掺杂离子在还原后最外层电子为半满或者全满时,氧空位形成后所遗留下来的电子才会优先转移到掺杂离子上。目前,这一理论能很好地解释了不同掺杂离子降低CeO2氧空位形成能的各自原因。此外,我们还研究了掺杂浓度改变时,氧空位的形成能与各自掺杂浓度之间的关系。