碳材料限域单原子催化剂在电催化还原CO2制备CO中展现出优异的性能。碳材料限域单原子催化剂可分为两类,即碳材料限域金属单原子和非金属单原子。由于限域单原子具有复杂的配位结构,这些材料在该催化反应中的活性位点和反应机理仍不清楚,尚需深入探究。本论文首先利用具有明确原子结构的过渡金属酞菁分子（MePc）研究金属-N4（Me-N4）位点电催化还原CO2的反应机理。进而,以Fe-N4为活性结构,通过模板辅助热解法制备出泡沫碳限域Fe单原子,研究了配位环境对催化性能的调变。另外,针对碳材料限域非金属单原子催化剂,揭示了氮掺杂泡沫碳电催化还原CO2制备CO的活性位。主要研究如下:（1）利用具有明确结构的MePc分子作为模型催化剂,系统研究了 Me-N4位点电催化还原CO2的反应机理。理论计算表明,相对于其他MePcs,酞菁钴（CoPc）中的金属Co位点具有合适的反应中间体结合能,即Co位点对*COOH的形成和*CO的脱附达到了最优的平衡,因此表现出最高的还原CO2制备CO活性。电化学实验验证了这一结论,实验结果表明CoPc展现出最优的性能,其生成CO的法拉第效率高达99%,并且可以稳定维持60小时。（2）通过SiO2模板辅助合成了多尺度泡沫碳限域Fe单原子催化剂,在宏观尺度上,泡沫碳的多孔环境有利于反应物和产物的扩散;在纳米尺度上,石墨烯纳米片有利于反应过程中的电子转移;在原子尺度上,碳矩阵限域Fe单原子为电催化CO2还原提供活性位点。优化后的催化剂在-0.5 V vs.RHE时达到94.9%的CO法拉第效率,并且可以稳定维持60小时。（3）可控合成了不同氮原子种类（石墨氮,吡啶氮,吡咯氮,氮-氧化物）和含量的氮掺杂泡沫碳。只含石墨氮的泡沫碳具有最优的电催化还原CO2性能,在-0.5 V vs.RHE时,CO的法拉第效率高达95%,并且可以稳定维持80小时。对比实验和理论计算表明石墨氮可以调变其邻近的碳原子,相比于析氢反应,调变后的碳原子更有利于还原CO2制备CO,而吡啶氮的作用却相反,其更有利于析氢反应。