现代工业对于化石能源的严重依赖产生了巨量的碳排放,导致目前大气中CO2浓度远超安全阈值,引起了如全球变暖等一系列环境问题,将严重威胁到人类社会的生存。新能源技术的不断发展使得新能源电力成本逐渐降低,但风能、光能等可再生能源的间歇性是制约其高效利用不可避免的问题,需要据此设计相应的储能或能量转换装置。考虑到储能技术发展现状,将过剩电力用于电催化还原CO2（CO2RR）生产碳氢化合物的“化学储能”是更具潜力与实用价值的方式,对于“可再生能源-储能”模式的能源结构转型与闭合地球碳循环具有重要意义。铜是唯一可以电催化还原CO2为碳氢化合物的过渡金属催化剂,因此合理设计催化剂与催化反应装置以提高Cu基催化剂的选择性与活性是目前CO2RR领域的关键科学问题。本课题从反应器设计与催化剂改性两方面出发,通过高效率的电催化反应器设计与催化剂的表面修饰,将CO2高效转化为甲烷。结合材料表征测试与理论分析,初步揭示了表面修饰的改性机理与电催化反应路径。取得的研究成果如下:（1）自主设计了流动电还原CO2系统,通过调控设计参数,优化电极制备方法,搭建了稳定耐用的流动电解池反应器。在流动电解池中应用气体扩散电极改善反应物的传质,在催化层表面形成气-固-液三相的反应界面,突破了H型电解池中CO2在电解液中传质受限的问题,使电催化电流密度提高了十倍以上。碱性电解环境相比于中性电解液显著提高了乙烯的选择性,超过5 h的稳定性测试中乙烯选择性维持在45%以上。（2）设计并制备了由特定官能团修饰的Cu纳米粒子,利用材料表征测试方法分析了催化剂的微观形貌、物相组成与表面配体在纳米粒子表面的锚定。表面配体中的官能团通过氢键作用稳定反应中间体,并由原位Raman光谱表征中间体*CO受配体影响在电极表面吸附状态的变化,使得*CO在Cu电极表面的深度还原路径由C-C耦合转变为加氢过程,显著提高了对CH4的选择性。最后基于改性机理设计了谷胱甘肽修饰Cu催化剂,在250 m A cm-2下甲烷法拉第效率达到63.70%,部分电流密度超过150 m A cm-2,阴极能量效率达到了28%。