CO2直接电解还原技术可将CO2转化为高附加值的化工原料,通过资源化利用CO2实现碳减排,同时缓解可再生能源时空供需矛盾、提高可再生能源利用率。目前该技术与实际应用需求仍有差距,存在以下问题:阴极催化剂催化活性低、稳定性不足;电解器电流密度低、能耗高;阳极催化剂多采用贵金属、成本昂贵。据此,本文基于催化剂的制备及再生等先进电极制备工艺和流动池的设计及自制,系统探究了电解池性能关键影响因素。主要研究内容与结果如下:1.采用氢气泡模板法制备多孔铜电极并调控形貌,在自制流动池中测试其性能,对比验证实验体系的可靠性。结果表明,三维树状多孔铜电极具有便于气/液传输的孔道结构,与光滑铜相比,电化学活性比表面积更大、电荷转移电阻更小、产CO电流效率更高。2.0 V槽压下,产CO电流效率从0.8%提升至10.9%。镀液中添加表面活性剂可调控电极孔径大小及微观结构,调理后多孔铜产CO稳定性提升。与H池相比,流动池中持续通入的气流可促进CO脱附提升其选择性。2.以流动池中具有选择优势的CO为目标产物,采用一步还原法在氮掺杂碳上负载金纳米颗粒,并在流动池中考察了金载量效应对其电催化性能的影响。结果表明:金载量对催化剂双电层电容有影响,通过金载量调控,2.7 V槽压下,总电流达108.2m A/cm~2,产CO电流效率高达96.9%。纯碳、氮掺杂碳、以及Au/C性能对比表明:金与氮掺杂碳间协同作用是产CO催化活性提升的关键。该催化剂在流动池中50m A/cm~2下运行130 h后,槽压从2.4 V升高至2.6 V,产CO电流效率和能量效率平均值分别为96.4%和54.6%。3.以自制金催化剂为基础,从运行条件、关键材料以及电极制备工艺角度对CO2电解器性能影响因素进行系统探究。结果表明:阴极催化剂性能、传质效果和外电路电阻对全电解器性能有关键影响,增强传质、减小外电路电阻有利于在低能耗下实现高效催化还原CO2。各因素中阴极进料方式主要影响传质,温度、电解液浓度、电解器结构、膜、以及电极制备工艺均对外电路电阻有影响。系统优化后,CO2电解器性能达到低温领域国际水平,2.2 V低槽压下,总电流提升至217.2 m A/cm~2,产CO电流效率和能量效率分别为90.6%和60.5%。4.回收锂电正极材料作廉价阳极催化剂,采用热处理法修复其催化活性,并在上述优化条件下将其用于CO2电解器中。结果表明:热处理气氛对析氧活性提升有关键影响,惰性气氛可促使回收料特有的LixCo O2分解产生尖晶石结构Co3O4。回收料作CO2电解器阳极时达到可用水平,2.2 V槽压下总电流达123.4 m A/cm~2,产物CO电流效率和能量效率分别高达91.3%和60.9%。本文致力于高效稳定低成本CO2电解器的研究,实现了低槽压、高电流密度下催化还原CO2,解决了传质受限问题,阐明了CO2电解器各性能指标的关键影响因素及交互关系,为CO2电解器放大应用提供基础研究数据和技术支撑,实现了廉价回收料作CO2电解器阳极催化剂,对其成本控制及进一步应用具有借鉴意义。