通过电催化过程将二氧化碳转化为有价值的化学品或低碳燃料,不仅可以解决日趋严峻的能源问题,还能有效缓解“温室效应”所带来的负面影响。因此对于发展可再生能源技术和改善地球碳循环具有重要意义。然而,要实现高效的电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）过程主要取决于获得优异的电催化材料。近年来,碳基材料具有成本低、导电性优异、比表面积高、以及孔隙率可调等优势,成为二氧化碳电还原过程非常青睐的电催化材料选择。研究者已发现和证实在传统的碳基材料中引入氮、过渡金属等可以获得具有电催化活性的材料。因此,进一步设计和寻找原材料便宜、制备工艺简单、法拉第效率高、催化活性稳定的过渡金属/氮掺杂的碳材料应用于二氧化碳电还原应用具有深远的意义。本论文以制备成本低、法拉第效率高、稳定性好的用于二氧化碳电还原反应的碳基电催化材料为目标。采用高温煅烧工艺,以脲醛树脂和季戊四醇为原料制备掺氮碳材料;在此材料制备基础上,陆续分别引入过渡金属Sn和Fe掺杂到掺氮碳材料中获得Sn-N-C和Fe-N-C两种非贵碳基催化剂。本论文制备的三种材料分别用于CO₂RR,均获得了较好的CO₂产生可调合成气（氢气和一氧化碳）的结果。具体研究内容如下:第Ⅰ部分掺氮碳材料制备及其二氧化碳电还原应用研究本部分用三聚氰胺和甲醛为主要原料,在碱性条件下通过聚合反应形成脲醛树脂,再与适量的季戊四醇复合,通过高温煅烧工艺获得了高性能的无金属掺氮碳材料催化剂,并将其应用于CO₂RR。电催化结果表明,掺氮碳催化剂拥有较好的还原产物选择性,较高的电流密度和优异的稳定性。在-0.6 V的电位下,二氧化碳电还原产物FE_CO可达74%,FE_H2为18%。值得一提的是在电还原过程中,如果调节还原电位,电还原产物H₂和CO的比例可根据需要实现可控调整,调整范围可达0.24至5.25。第Ⅱ部分Sn-N-C非贵催化剂制备及其二氧化碳电还原应用研究本部分先利用三聚氰胺和甲醛合成脲醛树脂,然后通过高温煅烧工艺在树脂前体中掺杂锡盐以及碳源季戊四醇,得到非贵碳基Sn-N-C催化剂。在CO₂饱和的0.1 M KHCO₃条件下进行CO₂RR,电催化研究发现热处理温度为1000°C,Sn含量为5%的条件下制备的Sn-N-C催化剂催化效果最优。在-0.6 V的电位下具有较好的CO和H₂的选择性(FE_CO=63%,FE_H2=37%)。使用该Sn-N-C催化剂调控电位可以实现控制生成的合成气的组成,可调范围为H₂/CO比率为8.15至0.60,且在CO₂RR中显示出良好的长期稳定性。第Ⅲ部分Fe-N-C非贵催化剂制备及其二氧化碳电还原应用研究在前面的工作基础上,本部分直接引入高活性的过渡金属Fe掺杂到掺氮碳材料中,设计了一种高性能的非贵碳基Fe-N-C催化剂。在制备的一系列催化剂中,碳化温度为950°C,Fe含量为3%的Fe-N-C催化剂最优。在CO₂RR中具有最佳的催化活性,良好的电流密度和令人满意的稳定性。在-0.6 V时,CO的法拉第效率为74%,H₂的法拉第效率为25%。通过调控还原电位,电还原产物合成气的组成可以从4:1至1:3实现可调（H₂/CO）,且在整个过程中无任何其他液相产物生成。