电化学CO₂还原反应（electrochemical CO₂ reduction reaction,简写为eCO₂RR）是利用电能催化还原温室气体-二氧化碳的一种有前景的研究技术,可将CO₂转化为碳氢化合物和醇等高附加值的产品。但是,CO₂结构稳定、eCO₂RR机理复杂,该方法依赖于具有高活性的催化剂。近年来,铜基催化剂因价格低廉、且能催化产生多碳产物,是研究最多的催化剂,围绕铜基材料的缺陷结构、铜的氧化态、铜晶面暴露等展开了系列研究,把材料外在化学成份和物理结构的影响与内在的中间产物吸附和反应途径的选择联系起来,从理论和实验上进行了深度探讨。本文从铜纳米粒子的尺度分布入手,考察不同碳基气凝胶（carbon aerogel,简写为CA）材料对铜（Cu）纳米粒子的分散作用,制备高效、稳定的eCO₂RR催化材料,具体研究内容如下:（1）利用间苯二酚（R）和甲醛（F）溶胶-凝胶反应形成的缩聚结构将Cu²⁺限域,经过高温煅烧、CO₂活化、N₂活化还原得到高分散的铜纳米粒子/碳气凝胶（Cu/CA-CO₂-N₂-T）。研究发现,eCO₂RR产物分布受N₂活化温度的影响,700℃下N₂活化的样品eCO₂RR表现出优异的电催化活性。表征数据显示Cu/CA-CO₂-N₂-700缺陷密度高、比表面积和孔径大,使其活性位点增多,有利于中间产物的脱附及催化活性和选择性的提高。Cu/CA-CO₂-N₂-700催化剂的Cu负载量为c.a.5.13 wt%,电压为-0.96 V（vs.RHE）时,CO法拉第效率（FE）高达75.6%,C₂的FE为5.4%。（2）提取蚕茧中的丝素蛋白（silk fibroin,简写为SF）,加入少量的铜盐,鼓入适量的CO₂作为酸催化剂使丝素蛋白凝胶,冷冻干燥/高温煅烧后,丝素蛋白中的碳原子将金属原位还原并实现高分散,丝素蛋白丰富的氨基结构和β-折叠结构为碳气凝胶提供固有的N掺杂,得到N掺杂的SF-Cu/CA复合催化材料。为提高催化活性,在SF-Cu/CA的制备过程中添加少量的Zn盐作为造孔剂,制得SF-Cu/CA-1催化剂,其比表面积高达935.1 m² g^-1。SF-Cu/CA-1中丰富的N元素与CO₂有较强的相互作用,使催化剂表面CO₂浓度增加,能有效降低起始电位;多孔结构有利于CO₂的传质,并为*CO中间体提供多个脱附通道,使CO产率较高。在-1.26 V（vs.RHE）时,CO的FE高达80.03%。该研究为合成高活性的eCO₂RR催化剂提供了一种实用且有效的方法。（3）在水溶液中eCO₂RR产生合成气（H₂和CO的混合物）是利用大气中CO₂的可持续策略之一。常规的单组分金属催化剂（如Ag、Au、Zn）在eCO₂RR中,电压对产物选择性影响较大,使合成气最佳H₂/CO比随电压变化,限制了其在大规模电化学生产合成气中的应用。本文合成了具有不同Cu、Ag摩尔比的丝素蛋白衍生CuAg纳米粒子/碳气凝胶,以Cu的摩尔含量为基础将催化剂标记为SF-CuAg/CA-N（N=20%,40%,60%,80%）,SF-CuAg/CA-N催化剂eCO₂RR表现出较好的催化活性,SF-CuAg/CA-20样品因其银的相对含量较高,在eCO₂RR过程中主要产生CO,在-1.46 V（vs.RHE）时,CO的FE高达81.85%。SF-CuAg/CA-60样品eCO₂RR具有较大的电压范围和水溶液中可调控的CO₂还原产物,该催化剂可调节的H₂/CO比电压范围高达500 mV,且稳定性较好。该研究制备的SF-CuAg/CA-N复合材料为设计电化学生产合成气催化剂提供了新的可能性。