电催化和光电催化二氧化碳(CO2)还原技术是固定和利用CO2的有效途径,对于缓解全球变暖和能源危机具有重要意义。尽管科学家们在该领域己经做出许多工作,但是更高效的CO2还原催化体系仍有待开发。本论文紧紧围绕电化学CO2还原目前所面临的关键问题展开研究,从电催化和光电催化两个方面提出了三种CO2固定和利用的新策略:1.鉴于大多数先前报道的光电催化体系中半导体和助催化剂之间的界面问题,作者提出了一种全新的铋离子(Bi3+)辅助的化学刻蚀方法,实现了金属铋助催化剂在硅表面的原位沉积。通过这种方法制备的硅/铋(Si/Bi)光电阴极具有较低的CO2还原过电势,其光电流密度在半个太阳光强度下达到约10 mA/cm2,并且其甲酸法拉第效率高达90%。此外,作者通过引入光刻法对光电阴极进行图案化,实现了硅表面三分之一面积的裸露。实验证明图案化的光电阴极的光电流密度能够进一步提高到约12 mA/cm2,同时其甲酸法拉第效率也没有因此降低。2.甲酸(或甲酸盐)被认为是目前最具经济价值的CO2还原产物之一。然而,目前CO2还原产甲酸的电催化剂的活性和选择性较低的现状严重限制了电催化CO2还原技术的商业化应用。为解决这一问题,作者利用富含缺陷的Bi2O3纳米管材料,设计了高效的电催化CO2还原产甲酸体系。该体系具有高活性、高甲酸选择性和长时间工作稳定的特点。此外,为了克服传统H型电解池的缺点,例如传质不良和CO2溶解度有限的问题,作者设计了一种带有气体扩散层的流动电解池。在常温常压条件下,该体系中电流密度在相对于可逆氢电极-0.61 V下达到约288 mA/cm2,这基本上满足了商业化的最低技术要求。此外,该电催化剂还能够与Si光电阴极耦合并实现高性能的光电催化CO2还原。3.基于上述工作中流动电解池在电催化CO2还原体系中的成功实践,作者开发了一种基于硫化铋催化剂的Al-CO2电池。该电池利用金属Al箔为负极,以1 M KOH水溶液为电解液。它不仅在放电过程中实现了电催化CO2还原产甲酸和能量转化(甲酸的最大生产速率达到了 35.8 mg cm-2 h-1),还能够同时输出电能。该工作发展了一种CO2固定和利用技术的新途径,并为开发新的能源转换和储存策略提供了思路。