科学利用CO2是当前科学研究的热点之一,实现“双碳”目标的一种途径。CO2作为一种丰富、廉价和无毒的C1原料,将其转变为高附加值的化学产品,不失为一条有效降低大气中CO2浓度的途径;在一定程度上,CO2的循环利用也可以缓和当前能源所面临的严峻形势。理论设计新型高效的CO2还原的催化剂,并洞察其还原机理,为高效利用CO2提供重要的理论指导意义。因此,本文基于Fe催化剂利用自旋效应和双活化策略研究CO2还原及机理,主要研究内容如下:1.基于密度泛函理论（DFT）计算,探索了一种通过Cp*（CO）Fe-CH3（Cp*=C5Mes）及其衍生物形式的Fe（Ⅱ）配合物催化CH4与CO2直接转化生产乙酸的反应策略。分别根据多种共价/非共价d-π＆π-π和d-σ-p相互作用模式探索了 CO2和CH4活化机制。对于d-π＆π-π模式的CO2活化,Fe中心的d电子离域到CO2的π*轨道,有助于CO2的活化。CO2的π电子反馈到Fe-C3键的反键轨道,导致Fe-C3键弱化。对于d-σ-p模式的CH4活化,CH4吸附产生了O…H-C分子间氢键,Fe的d轨道与甲烷的C-H键轨道相互作用,两种作用都对CH4的活化产生积极影响。在这项工作中研究的三种Fe（Ⅱ）配合物对CH4和CO2的共活化作用下,通过C-C偶联将CO2还原和CH4氧化为-CH3COO。CO2和CH4结合生成乙酸的决速步是活化的CH4引导H原子转移（σ键复分解）。此研究中提出了一种新颖的共价/非共价d-π＆π-π和d-σ-p作用模式的二氧化碳和甲烷活化及催化方案,该工作为均相催化下的低成本、高效率地将二氧化碳和甲烷制乙酸提供了理论方案。2.为了探索将CO2还原为甲酸的替代方法并深入了解自旋态对CO2还原的影响,理论上设计了一种低价Fe（Ⅰ）配合物,其双重态、四重态和六重态分别表示为2Fe（Ⅰ）、4Fe（Ⅰ）和6Fe（Ⅰ）。该配合物的特征是Fe（Ⅰ）中心与1,2-乙二胺（en）和2-羟基-联苯键合。通过使用DFT计算探索了反应机理,计算研究表明Fe（Ⅰ）配合物可以有效地固定和激活CO2分子对于铁（Ⅰ）配合物,发现最低自旋态2Fe（Ⅰ）最有利于CO2还原。由于4Fe（Ⅰ）和6Fe（Ⅰ）配合物在可见光范围内有很强的吸收,可以通过无光敏剂的可见光介导通过反隙间窜越（RISC）过程从4Fe（Ⅰ）和6Fe（Ⅰ）到2Fe（Ⅰ）的自旋态转变。辅助羟基基团与CO2之间的氢键与五元环之间的协同相互作用促进了质子转移,导致CO2和Fe-O键形成-COOH。氢气分子的加入作为H原子源用于CO2还原和辅助羟基的复原。该理论研究为具有挑战性的二氧化碳减排提供了一种新的解决方案。