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自工业革命以来,化石燃料成为全球能源供应的主体,人类对能源的需求日益增加,造成二氧化碳的过量排放,严重制约着人类社会的可持续发展。探索高选择性地、低成本地将这种廉价的二氧化碳转化为高价值的化学品,成为了世界研究的热点。电化学催化还原CO2因其较高的能量利用率、温和的反应条件、可调控的选择性引起了广泛关注。目前,该类反应主要是从催化剂的设计,反应装置的设计和反应条件三方面进行研究。在催化剂设计方面,贵金属催化剂成本较高、难获取,而非贵金属催化剂对二氧化碳电化学还原的选择性较差,耐久性不足,这些都限制了其大规模应用。本文主要围绕碳材料担载非贵金属催化剂的改性设计,以碳包裹镍颗粒和碳材料上锚定原子级分散的锑两种方式设计催化剂,来抑制金属镍或锑严重的析氢反应。本文还表征其形貌、尺寸、组成和结构,在H型电解池中,以CO2饱和的KHCO3溶液进行电化学测试,最后进行气相和液相的产物检测。研究主要包含以下两部分:(1)首先合成Ni有机骨架化合物吸附在炭黑上,煅烧后形成氮掺杂碳包裹的Ni纳米颗粒(Ni-NC_X@C),通过XRD,XPS,STEM,EXAFS都证明了 Ni颗粒的存在,首次报道Ni颗粒通过包裹的碳层修饰后具有CO2电还原活性。通过改变配体X,可以实现对Ni颗粒催化性能的调控。通过电化学测试,X为2-氨基对苯二甲酸,在过电势为0.59 V时,CO2转化为CO的法拉第效率达到94%,并且在-1.1 V(vs.RHE)时具有较高的CO偏电流密度(22.7 mA cm-2)和CO转化频率(697 h-1)。通过密度泛函理论计算发现,碳层包裹的Ni颗粒以及N掺杂,有利于稳定CO2还原成CO的中间体*COOH,并促进*CO的脱附。(2)本文通过浓硝酸活化的炭黑吸附Sb3+,混合尿素煅烧后,在碳材料上合成原子级分散的Sb(Sb_NC)。通过XRD,XPS,Raman,STEM都证明了单原子Sb的存在。本文首次报道合成Sb单原子,并将Sb_NC应用在CO2电化学还原上。此外,还将Sb_NC与Sb纳米片,Sb2O3,体相金属Sb进行对比,发现Sb单原子催化剂具有优异的的CO2电化学还原活性,其产物CO的转化频率在-0.9 V(vs.RHE)时高达16500 h-1,单位质量偏电流密度高达8.1 A mgSb-1,远高于许多其他单原子催化剂。