化石能源的过度使用排放了大量的CO₂,造成了严重的生态环境问题。因此,为了减少大气中的CO₂,CO₂的捕获与利用成为目前重要的技术手段。其中,电催化还原CO₂可以有效地将CO₂转化为高附加值的化学品,而且该反应还可在常温常压下进行,是一种绿色环保的方法。但是,由于CO₂是一种十分稳定的线型分子结构,其电催化还原过程中仍然存在一些问题,如过电位高,析氢反应严重等。因此,需要设计一种高效的催化剂来提高CO₂电催化反应效率。本论文以多孔中空碳球为载体,通过热处理,将过渡金属Ni高度分散在碳球上,形成单原子催化剂,用于CO₂电催化还原。为了提高Ni单原子催化剂的活性与多孔碳球的结合能力,通过氮掺杂对中空碳球进行改性,进而改变金属物种的配位环境。主要研究内容如下:（1）采用St（?）ber方法,以SiO₂球为硬模板,间苯二酚-甲醛（RF）和三聚氰胺-甲醛（MF）聚合物为碳前驱体,制备具有中空结构的含氮碳球载体N/C-x（x=1/4,2/3,3/2）,然后通过N/C-x载体和金属盐乙酰丙酮镍热解制备Ni-N/C-x催化剂。并通过调变R/M的投料量来改变N物种的含量,以此研究N物种对Ni状态的影响。研究结果表明,Ni-N/C-x催化剂均保持大小均一的中空球形结构。而且三聚氰胺投料量越多,越易形成单原子催化剂。其中,Ni-N/C-1/4催化剂中的Ni主要以单原子形式存在,Ni-N/C-2/3和Ni-N/C-3/2中Ni聚集性金属颗粒含量较多。XPS对N物种分析的结果表明吡咯氮含量越高,越有利于形成金属单原子,Ni-N/C-1/4、Ni-N/C-2/3和Ni-N/C-3/2的吡咯氮含量分别为28.43%、24.74%和21.69%。（2）系统考察了Ni-N/C-x催化剂在CO₂电催化还原反应中的性能,与N/C-x相比,Ni-N/C-x催化剂表现出良好的催化活性。Ni负载后,析氢反应受到抑制,CO选择性明显提高。其中,含有较多吡咯氮和单原子Ni的催化剂Ni-N/C-1/4表现出较高的催化活性:在-0.78 V（versus.RHE）电位下,CO选择性较高,而且在4.5 h内表现出好的稳定性。此外,CO法拉第效率在-0.63 V～-0.98 V（versus RHE）电势范围内可以达到70%以上。（3）以SiO₂球为硬模板,通过3-氨基酚-甲醛（APF）酚醛树脂包覆在模板剂上形成含氮碳球,同时在合成过程中原位加入Ni盐,并通过调变APF投料量制备不同壁厚的Ni-N-C-z（z=7,10,21 nm）催化剂。研究结果表明,随着APF投料量增加,壁厚逐渐增加;同时HF刻蚀越来越困难,中空结构的碳球含量越来越少。（4）测试上述方法合成的不同壁厚的Ni-N-C-z催化剂在CO₂电催化还原中的催化性能。结果表明,Ni-N-C-10催化活性最好,CO法拉第效率在-0.7 V～-1.0V（versus RHE）内可以达到90%以上,CO分电流密度在-1.0 V（versus RHE）时可以达到17.3 m A cm^-2。同时,相对于Ni-N-C-7和Ni-N-C-21催化剂,Ni-N-C-10催化剂TOF值也最高,为2263 h^-1[在-1.0 V（versus RHE）电位下]。