二氧化碳电化学还原的大规模应用不但能够有效缓解二氧化碳日益剧增引起的环境问题,而且能够有效解决可再生电能难于存储的难题。除了催化剂的结构、组成和形貌外,二氧化碳电化学还原的活性、选择性、稳定性还受外部环境的影响。由于二氧化碳在水溶液中的溶解度较低,当反应速率较大时,反应活性极易受二氧化碳的传质限制。因此,开发高效二氧化碳电还原装置,强化二氧化碳传质,是在高反应速率下提高二氧化碳电还原活性的关键。微通道反应器具有高效的传热、传质性能,且操作安全、容易放大,在众多领域均呈现出优良的性能,但在二氧化碳电化学还原领域却鲜有报道。因此,本文从开发高效二氧化碳电催化装置、强化二氧化碳传质角度出发,将微通道技术应用到二氧化碳电化学还原领域,开发了两种新型的微通道电化学反应器装置,并对其电催化性能进行了研究,取得的主要结果如下:(1)开发间歇微通道电化学反应器,对其二氧化碳电催化性能进行研究。采用电沉积、热氧化、电还原方法制备了一种多孔的氧化还原泡沫铜电极,将其放入阳离子交换膜管内,构建了一种无需搅拌的环形微通道电化学反应器。通过SEM及电化学表征发现,氧化还原泡沫铜具有高的电化学比表面积,低的过电位下,具有更高的电流密度。电催化性能研究发现,与传统搅拌装置相比,由于微通道具有更好的传质性能,氧化还原泡沫铜电极在微通道电化学反应器中展现更好的二氧化碳电还原活性。此外,还发现二氧化碳电还原活性与微通道反应器内的流动形态有关,在环隙通道宽度为1.0 mm的微通道中,当气液比2:1时,一氧化碳和甲酸的法拉第效率最高,这与此条件下形成的稳定泰勒流有关。(2)优化微通道电化学反应器,开发高效二氧化碳电还原催化剂。为节约成本,设计了一种单电解池流动微通道电化学反应器装置。为提高一氧化碳的法拉第效率和电流密度,采用电沉积技术制备了一种具有高活性比表面积的多孔泡沫银电极。电催化性能对比发现,泡沫银电极在微通道电化学反应器系统中具有更高二氧化碳电催化性能,电流密度为20.0 mA/cm2时,一氧化碳的法拉第效率高达81.0%。通过研究不同气液比条件下的电催化性能发现,微通道电化学反应器中流体的流动形态对二氧化碳电化学还原活性具有显著的影响,且在气液比为2:1时,一氧化碳的法拉第效率最高,这是由于此时形成了稳定的泰勒流有关。稳定性测试表明,泡沫银电极具有优良的稳定性能,在电解6 h后,一氧化碳的法拉第效率几乎不变。(3)拓展微通道电化学反应器系统装置的普适性,进一步降低二氧化碳电还原成本,提高二氧化碳电催化活性和选择性。采用电沉积技术制备的多孔泡沫锌催化剂作为电极,在微通道电化学反应器系统中进行了二氧化碳电化学还原研究。扫描电镜发现,多孔泡沫锌表面由许多纳米花片状锌构成,纳米片的横向尺寸约为2.0 μm,具有高的边缘活性位。电化学测试表明,与传统搅拌反应器相比,泡沫锌电极在微通道电化学反应器具有更佳的二氧化碳电催化活性,在电流密度为25.0 mA/cm2,一氧化碳的法拉第效率高达92.5%。通过不同气液比下的电催化性能研究,再次验证了电极的催化活性也与微通道内的流动形态有关。(4)探究微通道内传质对二氧化碳电化学还原反应的影响,对微通道电化学反应器系统进行放大研究,探究未来大规模应用可行性。通过化学滴定法对不同长度微通道中的二氧化碳浓度进行测定,发现在预混合段长度达到5.0 m时,电解液中二氧化碳的浓度接近饱和(33 mmol/L)。电化学测试发现,在电流密度大于15.0mA/cm2时,一氧化碳的法拉第效率随着电解液中二氧化碳浓度的增加而增加,暗示了反应活性与二氧化碳传质有关。串联增加微通道管的长度,可以延长二氧化碳与电催化剂的接触时间,增加二氧化碳的转化率;通过并联放大发现,在电流密度为7.5 mA/cm2时,二氧化碳电化学还原法拉第效率均维持在95%左右,证实了微通道电化学反应器装置能够进行数增放大的优点。此外,压力损失测定和评估发现,气液流速分别为20.0 mL/min和10.0mL/min时,内径为1.0 mm长度为5.0 m的预混段微通道内压力损失仅为75 kPa,因此,微通道电化学反应器系统在商业应用中是可行的。