环境中温室气体二氧化碳(CO2)浓度持续增加，正给全人类带来许多环境问题。电催化将温室气体CO2还原为有价值的燃料和化学品，并且其电能来源可以与可持续能源很好结合，展现出便于操作、便于工业化和绿色环保等特点，正越来越受到人们关注；但该研究领域仍存在催化剂原料昂贵、催化性能不稳定、产物选择性不高等问题。为了解决这些问题，选用低成本原料通过简捷方法制备高选择性、高活性、高稳定性的催化材料是该领域研究的一个理想目标。碳材料由于其广泛的来源、大的比表面积、高的稳定性、良好的电子转移性能等优点，决定了它是不错的基体材料。过渡金属镍原子与氮原子共同锚定到碳基材料上能够最大限度提高金属的利用率，镍原子与氮原子结合后增加了接收电子能力，在电催化还原CO2研究中展示出高活性、高选择性、高稳定性等良好催化性能。但目前制备具有Ni-N结构的碳基材料存在制备步骤多、设备要求高、原料昂贵等问题，同时对于这一类材料电催化还原CO2机理研究还不够深入。
　　鉴于以上考虑，本论文运用常规仪器设备，以常见大众化学品作为原料，设计简便快捷的路径制备出了富含Ni-N结构的碳基材料，并通过系统的电化学测试和理论计算深入研究其电催化还原CO2的活性、选择性、稳定性及催化机理。本论文主要详述以下三方面内容：
　　(1)通过简便快捷的超声辅助方法制备Ni-ZIF-8双金属纳米MOF材料，并通过热解碳化方法成功地制备了相互交联多孔结构镍、氮共掺杂的碳材料(NiNPIC)。探讨了超声的空化作用在快速制备相互交联的Zn-Ni双金属MOFs前驱体中起的关键作用，并跟踪分析了碳化形成交联的分级多孔结构NiNPIC材料的形成过程；在本实验方案中通过改变双金属MOF前驱体中Ni的剂量，从而将NiNPIC材料的Ni负载量精确地控制在0.62wt％～5.26wt％区间。NiNPIC催化剂材料的高表面积以及相互交联的多孔结构提供了高度可访问的Ni-N位点和便捷的质量扩散通道，提高了电解质/气体传输，从而增强了ECR反应的电子传递，降低了界面电阻。经过优化的催化剂在0.54V(vs. RHE)的中等过电势下高效的将CO2电还原为CO，FECO为95.1％，电流密度为10.2mAcm-2(113 mA mg-1)，转化率为542μmolm-2s-1(36.1μmolmg-1min-1)，并通过阻抗及tafel斜率测量进一步探索ECR的可能途径及催化剂的结构与催化性能之间的关系。
　　(2)常见的化学品三聚氰胺、硝酸镍和柠檬酸的混合物通过简单的一步原位热解方法制备具有超薄(厚度约1.5nm)的镍和氮共掺杂碳纳米片(Ni-N-CNSs)。Ni-N-CNSs的超薄多孔结构具有较大的表面积、丰富的中孔和大量均匀分散的Ni原子。并采用相似的方法制备出NiNPs-N-CNSs，N-CNSs，Co-N-CNSs和Fe-N-CNSs一系列催化材料，经电化学性能测试发现Ni-N-CNSs材料对ECR表现出更高的活性和选择性，测得产物CO电流密度高达121.4mAmg-1和接近100％CO的法拉第效率，产物CO生成速率高达37.7μmolmg-1min-1以及超强的稳定性。这些优良ECR催化活性归因于Ni-N-CNSs材料的超薄结构，该结构能够尽可能多地暴露Ni原子。N原子锚定的Ni原子呈现出稳定的Ni-N结构，该结构既有利于吸附CO2又有利于解吸CO，并且对竞争析氢反应(HER)具有很强抑制作用。密度泛函理论(DFT)模拟了ECR反应过程，揭示在水介质中Ni-N-CNS催化材料高活性和高选择性的根本原因。
　　(3)将富含Ni-N结构的酞菁镍(NiPc)分子超声分散到缺陷丰富的科琴黑(KB)溶液中，再通过干燥步骤即可得到大量NiPc/KB复合催化剂。NiPc/KB复合催化剂充分利用了科琴黑碳基材料的大比表面积和良好电子传导性能，并且酞菁镍提供了在ECR反应中稳定且具有高活性的Ni-N结构。在0.5MKHCO3电解质溶液中,通过电化学测试发现NiPc与KB复合后极大地提高了NiPc分子的催化性能，展现出高达98.2%的CO的法拉第效率,并在-0.65V～-1.05V大的电势区间展现出不低于90%的CO的法拉第效率。镍酞菁与科琴黑复合后,不仅显著地提高了对CO产品的选择性,而且提高了NiPc分子的催化活性。密度泛函理论(DFT)计算从本质上揭示了镍酞菁与科琴黑复合后将会引起酞菁镍分子部分电子转移到科琴黑基质上，增强了复合物对中间体COOH的吸附，同时抑制了竞争析氢反应(HER)，表现出优异的选择性和高催化活性。