自然界中,绿色植物的光合作用通过吸收光能,利用二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）合成富能有机物,同时释放氧气（O₂）,实现了碳循环和氧循环。然而,自工业革命以来,大量化石燃料的使用造成大气中CO₂浓度的持续提高,目前已经超过了400 ppm,而自然界的光合作用却没有因此提高速率。长此以往,大气中高浓度的CO₂势必会引起生态系统的改变。因此,有必要引入“人工光合作用”来辅助自然循环中这薄弱的一环。本文中所说的“人工光合作用”就是将太阳能等可再生能源转换为电能,然后通过电化学手段把CO₂和H₂O转换为含碳化合物（本文中为甲酸）和氧气。甲酸和氧气都是人类需要的,因此本论文主要研究水相体系中电化学还原CO₂制甲酸（ERCO₂F）。我们以Sn基催化剂为主展开了如下的研究:1.首先通过泡沫铜上电镀锡制成了气体扩散电极,以获得更高的比表面积。其次,通过反应特性的研究,以扩散电极为基础设计并用3D打印技术制造了仿生电化学池（BEC）。将镀锡泡沫铜扩散电极与BEC完美匹配,该系统可以迫使电解液从一个电极高速地流向另一个电极,从而高效地提高电极间物质的转移。实验发现,电极电位-1.8V（vs.Ag/AgCl）,流速达到400 mL min^-1时,ERCO₂F反应的电流密度可以达到电解液静止时的3.4倍,甲酸的时空产率可达到290μmol h^-1 cm^-2,是单室电解池(143μmol h^-1cm^-2,-1.8 V)的2倍多。2.为了得到双金属催化剂扩散电极,将Sn（CH₃COO）₂和In（CH₃COO）₃溶于稀CH₃COOH中,用浓CH₃COOH调节溶液pH至2.50,再以泡沫铜为工作电极进行恒电位沉积。实验发现,不同沉积电位可以得到不同Sn、In比的电极。其中在-1.3 V（vs.Ag/AgCl）时得到的Sn₄₂In₅₈电极对ERCO₂F反应表现出更佳的催化性能。该电极形貌为大小400 nm的晶粒均匀分散在树枝状结构上;在-1.6 V（vs.Ag/AgCl）时,ERCO₂F的法拉第效率达到了最高88%,塔菲尔斜率为159 mV decade^-1;在-1.8 V（vs.Ag/AgCl）时,催化ERCO₂F反应的时空产率为309μmol h^-1 cm^-2,组装在BEC上使用,可达到468μmol h^-1 cm^-2,这些都要优于之前研究的镀锡泡沫铜电极,而且在-1.5^-1.8 V范围内比镀锡泡沫铜电极的能量效率更高。3.将泡沫镍电极浸入在0.2 M苯胺和0.5 M对甲苯磺酸（PTSA）溶液中,然后在-0.2¹.0 V之间以25 mV s^-1扫速进行动电位极化。经过5次循环后,聚苯胺（PANI）纳米线就可以覆盖整个电极表面;经过8次循环后（PANI/NF）的PANI纳米线直径约为150 nm;继续增加循环次数会使PANI纳米线层厚度增加。不同电位下在0.5 M H₂SO₄溶液中对PANI/NF的处理发现,-0.4 V（vs.Ag/AgCl）恒电位还原10 min能得到完整的PANI膜（R-PANI/NF）。在镀锡液中加入甲基磺酸（MSA）后可直接在R-PANI/NF上电镀得到锡颗粒,该复合电极催化ERCO₂F反应在-1.70 V（vs.Ag/AgCl）时就能达到最大法拉第效率（94%±1%）和时空产率(306±14μmol h^-1 cm^-2)。4.通过电化学还原CO₂反应电解液的研究,确定了电解质最佳阳离子是K⁺,最佳阴离子是HCO₃^-,最佳电解液是0.35 M的KHCO₃。0.35 M的KHCO₃和0.1 M的KH₂PO₄按体积比10:20（mL）的混合液在低电位下（<-2.0 V）的法拉第效率要高于0.35 M KHCO₃溶液中的。在电解液中加入MgSO₄或ZnSO₄时,金属阳离子可以与OH^-作用影响反应平衡,产甲酸的法拉第效率维持不变,反应电流密度明显增大;在电解液中加入ZrO₂时,水解产生[ZrO（OH）]⁺和OH^-,阴极区与CO₂反应生成HCO₃^-,过多的HCO₃^-与[ZrO（OH）]⁺作用重新获得ZrO₂和CO₂,保证了溶液中CO₂和HCO₃^-的浓度,阳极区可以中和产生的H⁺,降低HCO₃^-和H⁺的反应,有效减少电解液的阳极消耗,缓和槽电压的上升。