工业过程中化石燃料燃烧产生的二氧化碳(CO2)排放是全球变暖的主要原因。电化学还原CO2生成有用的化学燃料是降低其大气浓度的重要途径，对于缓解环境污染和能源短缺带来的双重压力具有重要的意义。电化学还原二氧化碳(CO2ER)生成的还原产物有许多种类，其中甲酸是最具有经济价值的CO2还原产物之一，也可作为甲酸燃料电池中的液体燃料。近年来，各种金属基催化剂(如Ni、Sn、In、Cu、Bi)因其优异的催化性能和鲁棒稳定性而被广泛应用于电催化CO2还原反应中。相较而言，铋(Bi)是一种毒性很低来源广泛的非贵金属，铋的复合材料对CO2ER具有很高的选择性和催化活性，这主要归功于其对中间产物CO2??具有强大的吸附能力。但仍存在一些关键问题，如在反应过程中发生了竞争性的析氢反应(HER)，使得其在活化CO2分子时仍面临着催化活性和选择性过低等。因此，进一步探索制备具有良好催化活性和选择性的铋基催化剂是非常重要的。
　　本论文所述工作通过设计合成Bi金属与碳材料的复合型催化剂用于实现高效的CO2至甲酸电催化还原过程，通过一系列的表征手段和电化学测试方法，探究了催化剂的活性位点以及催化反应机理。主要的研究内容包含以下几个方面：
　　(1)利用水热处理和煅烧法制备了一种复合电催化材料，它由铋和氧化铋纳米颗粒(NPs )组成，负载在氮掺杂的还原性氧化石墨烯纳米片上(Bi/Bi2O3/NrGO)。由于Bi和Bi2O3之间强大的协同效应和不协调位点的增加,Bi/Bi2O3/NrGO催化剂显著地提升了电还原二氧化碳生成甲酸的催化性和选择性。该催化剂电化学反应的起始点位为-0.5V(RHE)，并且在-0.9V的还原电位下，法拉第效率达到了85%。实验结果证实了Bi2O3纳米颗粒部分还原成Bi形成Bi/Bi2O3复合物，和负载在氮掺杂的还原性氧化石墨烯纳米片上的纯Bi纳米颗粒(Bi/NrGO)相比较，Bi/Bi2O3/NrGO催化剂的催化性能得到了显著的提升，表明了Bi2O3部分还原成Bi会增加催化剂表明的不协调活性位点，这对CO2ER性能起到了积极的促进作用。
　　(2)以卡拉胶为前驱体，通过煅烧和水热处理相结合的方法将Bi掺杂到卡拉胶衍生碳(CDC)中，形成Bi2O3和Bi2S3的碳基复合物(Bi-CDC)。由于Bi2S3和Bi2O3之间强大的协同效应，Bi-CDC复合催化剂展现出令人印象深刻的催化活性和甲酸选择性。该催化剂电化学反应的起始点位为-0.45V(RHE),并且在-0.9V的还原电位下，法拉第效率达到了95.4%，Tafel斜率为96mV/dec。当Bi(NO3)3·5H2O和CDC合成比例为1∶2时(Bi-CDC-1)，催化材料具有最高的Bi含量和最强的Bi2S3/Bi2O3协同效应，增加了Bi活性位点的数量，从而加强了二氧化碳吸附能力。同时大量的Bi活性位点加速了电子传递过程，促进CO2??中间体形成*COOH中间体的过程从而提高了电催化还原CO2至甲酸盐的活性和选择性。此外，将Bi-CDC-1作为正极与锌片负极整合形成Zn-CO2原电池，可以有效地实现能量转化和输出。