可再生能源驱动电化学还原CO2生成能源小分子物质是一种有应用前景的CO2资源转化利用技术。廉价、丰富且易制备的电极催化材料的开发是目前CO2电化学还原应用领域的研究目标。非贵金属元素Cu、Zn、Sn储量丰富、廉价易得,同时还具备较好的催化还原CO2的能力,一直是主要的研究对象。通过对金属材料表面进行微观形貌调控、构筑纳米结构材料以及双金属合金化修饰都能够有效调控催化材料的催化性能。本文以双金属催化材料制备与催化电化学还原CO2过程评价为主要研究内容,通过简单易操作的热处理氧化-电化学还原的方法对双金属材料表面进行改性以提高或调控其催化性能,并结合改性过程中材料的形貌、结构、组成和晶型等表征结果分析催化性能调控的内在机制。此外,针对快速初步评价未知材料催化性能的问题,本文基于旋转环盘系统建立了一种能够快速初步分析粉体催化材料主要催化性能指标的评价方法。本文的主要研究内容和结果如下:(1)改性黄铜(Cu-Zn合金)电化学还原CO2的研究由金属Cu和Zn组成的双金属中,商业黄铜h62(Cu-Zn合金)是目前最廉价易得的铜合金材料。以此Cu-Zn合金为研究对象,经过500℃温度下热处理氧化1h后,随后在0.5 MKHCO3溶液中电化学还原,得到改性后的双金属材料Cu-Zn AR。对改性前后的双金属材料进行CO2电化学还原电解实验,评价其催化活性、产物选择性以及催化稳定性的性能指标。结果表明,经过改性后的Cu-Zn AR材料相较于Cu-Zn材料,析氢副反应大大降低,在-1.6V(vs.SCE)电位下,H2的法拉第效率由86.5%降至27.6%,同时生成CO和HCOOH的法拉第效率分别提高了 4倍和6倍;对Cu-Zn合金改性过程中的进行SEM、XRD、EDS和XPS表征分析,得出催化性能的提高是由于Cu-Zn AR表面形成的纳米多孔Zn层的结论。该研究也提供了一种可能的制备金属纳米多孔材料的方法。(2)改性锡青铜(Cu-Sn合金)电化学还原CO2的研究与黄铜材料类似,锡青铜材料是由Cu和Sn组成的已规模化生产的商业铜合金。实验中选用CuSn6锡青铜(Cu-Sn合金)双金属材料,经过300℃热处理氧化-电化学还原改性后得到Cu-Sn AR双金属材料。CO2电化学还原电解结果表明Cu-Sn AR较Cu-Sn合金具有在较低过电位条件下催化生成C2、C3产物的能力。结合材料表面表征结果,分析原因是Cu-Sn合金在改性过程中,材料表面发生了单质Cu的氧化和还原,形成了丰富的Cu纳米颗粒和少量的纳米线,提供了更多的催化活性位点和缺陷,增强了催化生成C2、C3产物过程的中间产物的吸附能力,从而影响了产物的选择性。(3)Zn-Sn合金电化学还原CO2的研究分别采用熔融法和化学置换法制备了不同表面Zn/Sn组成的Zn-Sn合金材料,研究了不同Zn/Sn组成对Zn-Sn合金催化性能的影响机制。结果表明:熔融法可以制备出表面Zn、Sn分布均匀的Zn-Sn合金;低能耗的Zn片表面化学置换Sn得到材料表面Zn、Sn分布不均匀,经过热处理氧化-电化学还原改性后,Zn、Sn分布的均匀度极大提升,记为Sn@Zn AR。对制得的材料进行CO2电化学还原电解,结果表明,Sn与Zn结合后抑制了 Zn表面的析氢反应,且随着Sn含量的不断升高,析氢抑制越明显,同时产物CO和HCOOH的法拉第效率也逐渐提升。结合文献和表征结果分析原因是:Sn与Zn的结合使得利于析氢的Zn(101)晶面峰强降低,峰强升高的Zn(002)晶面促进了 CO的生成,同时更多的质子被用作生成HCOOH。该部分研究表明,通过控制双金属材料组成,可以影响材料表面晶型,进而调控材料的催化性能。(4)基于旋转环盘电极(RRDE)测试的催化材料性能的评价方法本研究基于旋转环盘电极测试系统开发了能够用于初步分析少量未知粉末样品的CO2电化学还原催化性能的方法。将待测粉末样品均匀滴涂于的盘表面,在CO2饱和的KHCO3体系中,控制盘电极的电势,通过电极的高速旋转将盘表面生成的CO2还原产物溢流至Pt环表面,通过分析Pt环在该体系中获得的循环伏安曲线,可以快速辨别该材料的还原CO2的起始电位、催化稳定性,以及随着盘电位变化的析氢副反应的情况。