矿物燃料在其燃烧过程中会释放大量的二氧化碳（CO2）气体，如果不经控制排入大气则会导致CO2浓度的持续增加，引起海水变酸、温室效应等环境问题。我国矿物燃料的使用量巨大，因此向大气中排放了大量的CO2。2013年我国CO2排放量已达100亿吨。因此，针对矿物燃料燃烧过程的CO2污染控制技术研究已是迫在眉睫。　　CO2污染控制技术主要有吸收、贮存以及电化学还原等。其中电化学还原法不仅能够降低排放气中的CO2含量，同时获得的有效产物-甲酸也能作为资源被重新利用，具有重要的研究价值和应用前景。目前CO2电化学还原面临着许多亟待解决的问题，主要包括以下几点：（1）增加电流密度，加快反应速率；（2）增大法拉第效率，提高产物选择性；（3）降低反应的能量消耗。　　本课题在总结现有文献的基础上，采用气体扩散电极和微生物电解池（microbial electrolysis cell，MEC）的方法实现提高反应的电流密度、法拉第效率和降低反应的能量消耗的目标。本课题以实验研究为主，结合理论探讨，主要研究了以下几方面的内容：　　1、针对目前气体扩散电极存在的电极成本高、催化剂利用率低的问题，制备了一种由炭黑-PTFE扩散层和Sn-Nafion催化层组装的Sn基气体扩散电极STGDE，研究了Sn负载量、Nafion含量以及电解电势对其电催化还原CO2的影响。采用甲酸的法拉第效率及电流密度评价电极电催化还原CO2的性能。实验结果表明在一定范围内（Sn负载量＜5mg cm-2；Nafion含量＜50wt％），增加Sn负载量以及Nafion含量能够增加气-液-固三相界面的总面积进而增强CO2电化学还原的效率。电解电势负向移动能够加速CO2电化学还原反应，但是超过极限值（＜–1.8 V）就会导致发生副反应(比如析氢反应)。当Sn负载量和Nafion含量分别为5mg cm-2和50wt%，电解电势为-1.8V时，实验获得的法拉第效率和电流密度最大，分别为72.99±1.91%和13.45±0.72mA cm-2。该法拉第效率位于相似条件下（如常温常压、0.5M KHCO3电解液），使用Sn基气体扩散电极电催化还原CO2产甲酸的领先水平。此外，STGDE电极成本只有约80$ m-2，与由碳纸扩散层和Sn-Nafion催化层组装的气体扩散电极相比降低了92%。　　2、采用向催化层添加PTFE（5.9wt%，7.7wt%，11.1wt%，20wt%）的方法增强STGDE电极对CO2的传输。利用扫描电镜和压汞测试仪表征电极的形貌和多孔结构。利用线性扫描伏安法、电化学交流阻抗以及恒电势电解技术测试电极电催化CO2还原的性能。采用甲酸的法拉第效率及电流密度评价电极电催化还原CO2的性能。实验结果表明当添加的PTFE含量为11.1wt%时，获得了最高的法拉第效率(86.75±2.89%)和电流密度(21.67±1.29mA cm-2)，与未添加PTFE的电极获得的值相比，分别增加了25%和26%。86.75±2.89%的法拉第效率为相似条件下（如常温常压、0.5M KHCO3电解液），使用Sn基气体扩散电极电催化CO2还原产甲酸获得的最高值。进一步的研究表明电极性能的提高可能是由于增加了Sn催化剂活性表面积以及增强了CO2传输能力。　　3、针对三层结构的气体扩散电极电催化还原CO2的性能受限于液相还原产物-甲酸的累积以及催化剂脱落的问题，将Sn催化剂直接负载在集流体上制备了一种两层结构的Sn基气体扩散电极-SGDE。采用循环伏安法、电化学交流阻抗技术测试了电极电催化还原CO2的行为，采用恒电势电解技术测试了电极电催化还原CO2的性能。采用甲酸的法拉第效率及电流密度评价电极电催化还原CO2的性能。实验结果表明基于SGDE电极的CO2电化学还原是双电子传递过程且受电子传递速率控制。当电解电势为-1.8V，电解液为0.5M KHCO3溶液时，实验获得的法拉第效率和电流密度最大，分别为78.60±0.11%和17.43±2.60mA cm-2。反应过程中生成的液相还原产物-甲酸很容易释放到电解液中去并且Sn催化剂在反应过程中保持稳定。　　4、针对目前电化学还原CO2受限于CO2传输以及高的能量消耗，将制备的SGDE电极应用于MEC中进行CO2电化学还原。采用扫描电镜、X粉末衍射仪、X射线能量色散谱仪以及X光电子能谱仪表征了SGDE电极的表面形貌以及化学成分。采用循环伏安法以及电化学交流阻抗技术测试了电极电催化还原CO2的行为。采用甲酸的产量及法拉第效率评价电极电催化还原CO2的性能。电化学测试表明SGDE电极具有高的CO2电化学还原电流以及低的电荷传递内阻。这可能是由于SGDE电极增加了催化剂活性位点附近CO2的工作浓度。实验获得的甲酸产量及法拉第效率分别为0.064±0.006mol m-2和40.09±3.91%，较Sn金属电极分别增加了31%和36%。最小的输入电压只有0.66-0.82V，能量消耗较传统电解池降低了67–74%。　　在MEC系统中使用SGDE阴极，CO2电化学还原面临的三大亟待解决的问题均得到了有效缓解。在MEC系统中，矿物燃料燃烧产生的废气可以作为阴极CO2源，MEC阳极微生物降解实际废水所产生的CO2也可以作为阴极CO2源；此外，CO2在被还原成有价物质-甲酸的同时还能有效处理废水。本工作为CO2电化学还原产甲酸的实际应用提供了理论与技术支撑。