能源和环境科学的重要目标就是组建一个碳平衡的能源利用系统,来有效的回收排放的CO₂,由于电化学还原CO₂在环境和能源方面具有广泛的应用前景,因而获得了全球科学家的关注。电催化剂的性质很大程度上决定了CO₂的还原产物及催化反应路径,因此对于这样一个复杂的情况而专门设计催化剂是关键的挑战,理想的催化剂应包括这些特点:在低过电位下的高活性和选择性、高稳定性、成本低及原料来源丰富等。本研究课题将具有良好催化活性和选择性的尖晶石Co₃O₄与通过双金属ZIF材料热解合成高氮掺杂量的多孔碳材料CNCo-n（n表示Zn/Co的摩尔比）结合起来,合成了复合电催化剂,结合了尖晶石Co₃O₄良好的电催化活性和CNCo-n良好的导电性与稳定性,在较低过电位下高效高选择性的电还原CO₂制取甲酸。首先,本文研究了由单金属Zn的有机框架结构ZIF-8热解合成的多孔碳负载尖晶石Co₃O₄电催化还原CO₂的活性。合成了颗粒直径约150 nm的ZIF-8晶体,在900℃高温热解石墨化合成N掺杂多孔碳,使用水热法在其表面负载尖晶石Co₃O₄（Co₃O₄@C-N）,同时,以未掺杂N的商业石墨片作为对比（Co₃O₄@C）。电化学测试表明:Co₃O₄@C产甲酸起始电位约为-0.925 V vs SCE,峰电位约为-1.03V vs SCE,而Co₃O₄@C-N的甲酸起始电位和峰电位分别正移至-0.894 V vs SCE和-0.957 V vs SCE,峰电流密度达到3.62 mA·cm^-2,表明N掺杂多孔碳能有效促进尖晶石Co₃O₄的ERC活性。此外,Co₃O₄@C-N的电化学活性面积约为1.18 cm²·mg^-1,高于Co₃O₄@C的0.67 cm²·mg^-1,催化剂单位面积活性位点数目的差异是催化剂性能的影响因素之一。Co₃O₄@C-N的最高甲酸法拉第效率达到53%,远高于Co₃O₄@C仅30%的甲酸法拉第效率,说明N元素的掺杂可以有效提高尖晶石Co₃O₄对甲酸的选择性。其次,使用了不同Zn/Co比的双金属ZIF材料,热解合成了不同的N掺杂多孔碳材料CNCo-n（n表示Zn/Co的摩尔比）,负载了相同含量的尖晶石Co₃O₄,合成Co₃O₄@CNCo-n复合催化剂。电化学实验表明:Co₃O₄@CNCo-1的起始电位最低,但是峰电流密度仅有6.23 mA·cm^-2,而Co₃O₄@CNCo-20的起始电位相对Co₃O₄@CNCo-1负移50 mV左右,电流密度却增加了约50%,Co₃O₄@CNCo-20同时有最高的电化学活性面积,这是由于BMZIF-20前驱体的粒径最小,合成的N掺杂多孔碳的比表面积更高,使得Co₃O₄纳米颗粒有良好的分散性。最后,本研究选择CNCo-20多孔碳为载体,研究表面尖晶石Co₃O₄的负载量对催化剂ERC性能的影响。使用Raman、SEM、XPS等手段表征对催化剂Co₃O₄-n@CNCo（n表示Co的质量百分数）表面活性物种的性质、含量进行表征。电化学实验结果表明:Co₃O₄-20@CNCo的峰电流密度达到了9.228 mA·cm^-2,是Co₃O₄-10@CNCo峰电流密度(4.512 mA·cm^-2)的2倍,还原甲酸的质量活性达到39.20 mA·mg^-1_Co3O4,此外,Co₃O₄-20@CNCo在-1.0 V vs SCE时达到最高甲酸法拉第效率84%,催化剂的活性至少8小时内保持稳定。