通過電能將二氧化碳轉化為高附加值的工業產品即二氧化碳的電化學還原（CO2—RR），實現了電能的化學儲存，通過這種方式可以把二氧化碳變廢為寶。降低二氧化碳含量的同時，也增加了其商業價值。

CO2是有機物燃燒的最終產物，化學狀態相當穩定，因此活化CO2分子的能壘很高，需要較高的過電位才能促使電催化反應發生。另一方面，電化學還原CO2反應涉及多電子傳遞機理，不同反應條件下可以生成一氧化碳、甲酸鹽、甲醇、乙烯、乙醇等多種產物。緩慢的化學反應速率和伴隨的副反應是有效還原CO2為特定產物的主要障礙。影響電化學還原CO2反應的因素主要包括電極電勢、電催化材料、電解質溶液和壓力溫度等，其中電催化材料對還原反應的產物分布和選擇性起著決定性的作用。目前為止，能將CO2電化學還原為烴類和醇類的有效催化劑仍然絕大部分是銅基材料。
 

1、金屬納米催化劑
相比于傳統塊狀金屬，納米結構的金屬電極一方面提高了比表面積，增加了催化活性位點的數量；另一方面，納米催化劑表面具有大量配位不飽和的位點，可以顯著提高催化活性，改善電催化性能。金屬納米催化劑的尺寸、結構和形貌對CO2電化學還原反應的效率和產物分布都具有非常重要的影響。電化學實驗表明：隨著顆粒尺寸的降低，特別是低于5nm時，H2和CO的選擇性上升，而CH4和C2H4的選擇性降低。

2、金屬合金催化劑
物質中單個原子的電子特性會受附近原子的影響，在單金屬材料中摻雜其他金屬元素后，不同元素原子之間的相互作用會顯著改變其電子結構，進而改變中間產物在催化劑表面的吸附強度；此外，活性位點原子排列方式的變化也會改變中間產物與表面的吸附方式。例如，將銦電沉積到粗糙的銅表面，制備了Cu-In合金催化劑，用于電催化還原CO2，盡管相比于未沉積In的單金屬Cu電極，合金催化劑的電流密度并沒有明顯的提高，但合金催化劑抑制了析氫反應的發生，顯著提高了CO的選擇性，在-0.7V的電位下，CO2轉化為CO的FE達到了95%，遠高于單金屬Cu或In電極。

3、氧化物衍生的金屬催化劑
預先將金屬氧化，然后在反應過程中進行原位電化學還原是另一種對金屬電極改性，以提高其在CO2電化學還原反應中催化性能的方法。據報道，通過提高氧化溫度和增長氧化時間，將Cu箔在空氣中退火處理后得到表面為Cu2O層的納米線形催化劑，該催化材料相比于多晶銅箔，電化學還原CO2的過電位降低了約0.5V。

4、金屬基復合催化劑

在電催化領域，金屬材料的研究最為廣泛，但普通金屬電極在CO2還原過程中依然存在電流效率較低、穩定性不佳等缺點。具有高比表面積和電導率的碳材料由于易于修飾和功能化的特點，常被用作催化劑載體。將金屬負載在雜原子摻雜的碳材料上，金屬與載體的相互作用可以改變金屬的電子結構，進而提高其本征催化活性，有利于CO2分子的活化和調整重要中間產物與催化劑的結合能，是一種提高金屬電極還原CO2催化性能的高效方法。據報道，通過電化學成核的方法，將銅納米顆粒負載在表面具有大量的褶皺和尖刺且摻雜了氮的多層石墨烯（CNS）上，制備了一種銅基復合材料（Cu/CNS），相比于負載在玻碳電極上的銅納米顆粒和沒有負載銅的CNS材料，這種Cu/CNS復合電極在電化學還原CO2反應中展現出了更優異的催化性能：電位為-1.2V時，C2H5OH的FE高達63%，而前兩者幾乎沒有C2H5OH生成，且電流密度分別為前兩者的3倍和5倍，持續反應6h后，Cu/CNS催化劑的活性和選擇性沒有明顯降低。

5、單原子催化劑

當材料從納米尺度繼續縮小到單個原子級后，其幾何和電子結構會發生根本性的變化，因而表現出與納米材料完全不同的催化特性。利用離子交換的方法，將鎳的前體分散到以鋅為連接位點的ZIF-8表面，然后在高溫（1000℃）下加熱，由于Zn的沸點為907℃，因此在加熱過程中Zn節點會蒸發而留下缺陷，這些位點很容易被鄰近的鎳原子占據，從而形成Ni單原子催化劑（NiSAs/N-C）；在電化學反應中，該NiSAs/N-C催化劑將CO2轉化為CO的FE約為71.9%，電流密度達到10.48mA/cm2，且在60h的持續反應中表現出較好的穩定性。當前大部分單原子催化材料在CO2電化學還原反應中主要生成CO，而設計能將CO2還原為烴類或醇類的單原子催化劑仍然面臨很大的挑戰。

近年來用于電化學還原CO2的催化材料不斷發展，相比于傳統多晶金屬電極，新型金屬基材料的電催化性能有了長足的進步。但較高的過電位需求、較低的產物選擇性 （尤其是直接還原CO2為烴類或醇類）以及不理想的反應穩定性使得金屬基電催化材料離工業化應用的標準尚有差距，因而開發更高性能的電催化材料仍然是CO2電化學還原領域未來研究的主要方向之一。

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