随着工业化进程的推进,人类对化石能源的依赖导致了二氧化碳（CO2）的大量排放,使全球能源环境问题持续恶化。现有CO2捕获与封存技术还不足以解决持续增长的碳排放问题,因此需要使用新策略以实现碳中和目标。使用可再生能源,通过光、电化学方法,实现CO2向高能量密度化合物的转化是解决CO2排放问题的有效途径。作为一类非贵金属催化材料,以铁-氮掺杂碳（Fe-N-C）与镍-氮掺杂碳（Ni-N-C）为代表的金属-氮掺杂碳（M-N-C）材料对CO2电还原具有高效率与选择性,在CO2还原领域展现出独特优势。本文以金属卟啉衍生M-N-C材料作为模型催化剂,结合潜在应用前景,探究了CO2气体扩散电解池中催化剂孔隙结构与性能的关系、CO2电还原偶联析氯反应实现CO、Cl2与KHCO3的同步生产以及CO2光还原系统中M-N-C催化剂金属物种对CO2还原效率的影响。主要研究内容如下:1.通过热解含不同比例镍卟啉配体的金属有机框架材料PCN-222得到系列Nix-N-C催化剂（x代表镍卟啉配体的百分含量）,研究发现其中Ni20-N-C材料具有最好的CO2电还原性能,在H型电解池中CO法拉第效率高达97%以上。通过吸附测试与孔结构分析确认Ni20-N-C催化剂具有高比表面积与多级孔结构,对CO2有较强的吸附能力,并且具有大量介孔结构有助于提高液相传质。与同类无孔催化剂相比,Ni20-N-C催化剂可显著提高气体扩散电解池系统中的CO2还原效率。在6 M KOH电解液中,Ni20-N-C催化剂在仅有-0.53 V vs.RHE的阴极电势下实现了645 m A cm-2的CO分电流密度及23 s-1的转化频率（TOF）。此外,使用Ni20-N-C作为CO2电还原催化剂与析氧反应偶联,仅需1.4 V槽电压即可实现CO与O2的电解生产,甚至可使用1.5 V锌锰干电池驱动CO2还原电解池。Ni20-N-C催化剂在气体扩散电解池中实现了长达8小时的100 m A cm-2恒电流电解,CO法拉第效率保持在98%以上。该结果表明,使用多级孔催化剂有助于提高气体扩散电极中的CO2电还原效率,为设计新型CO2电还原催化剂提供了思路。2.使用四苯基卟啉镍与碳黑（CB）作为催化剂前体,热解得到Ni-N-C催化材料Ni-CB,实现了高效CO2电还原。为了提高CO2电还原系统阳极反应的实用性,基于此材料将CO2电还原与氯碱工艺集成,实现了CO2与KCl水溶液的共电解,可同时生产CO、Cl2及KHCO3,其中CO法拉第效率高达99%,Cl2法拉第效率约为80%,而KHCO3生产速率可达18 mmol h-1。随后设计并制作连续作业系统,实现了KHCO3的直接分离,并在3.8 V的槽电压下,以100 m A cm-2的电流密度实现了5个小时的连续作业,能量效率达到39%。此连续作业系统可实现高达74%的CO2转化率,有潜力实现负的净碳排放。技术经济性分析表明,此CO2-氯碱共电解系统相对现有技术具有明显优势。此外,该集成系统有潜力作为索氏制碱法的替代方案。该结果为开发新的CO2电还原偶联阳极反应及技术经济可行的CO2还原系统提供了新思路。3.使用氯化四苯基卟啉铁与碳黑作为催化剂前体,热解得到Fe-N-C催化材料Fe-CB,此材料可以实现高效CO2电还原,其在0.35 V的过电势下可以达到97%的CO法拉第效率。基于实现高效异相光催化系统的考虑,使用半导体材料Cd S与M-N-C催化剂组成光催化系统。通过光、电化学方法,证实此混合光催化系统的可行性。在紫外-可见光照（AM 1.5G）下,使用Fe-CB作为催化剂的CO2光还原系统在8小时内实现了111 mmol g-1cat的CO产量与1.22×103的转化数（TON）,CO选择性高达85%,其性能超过了大多数现有异相光催化系统。与Ni-CB催化剂相比,在相同反应条件下,CO产量提高了11.6倍,而CO选择性也提高了2.7倍。Fe-CB催化剂的高效活性主要源于Fe-N-C结构更强的给电子能力增强了*COOH中间体与Fe-N-C结构之间的配位强度,降低了决速步反应能垒。结果表明,使用M-N-C电催化剂有助于提升异相CO2光还原系统的效率与选择性,为CO2光还原系统的发展提供新策略。