电催化是当前纳米材料领域和催化领域的研究热点，与能源和环境息息相关。自1960年代起至今，人们一直在研究通过化学合成的催化剂与人工搭建的光电化学体系模拟自然界进行人工光合作用的可能，即人工光合作用。在各种人工光合作用的体系中，太阳能驱动的电催化还原CO₂因其相对高效与实用而更为研究者青睐。而电催化还原CO₂由于其副产物的多样性，使得在保证高效催化生成产物的同时还保持高的选择性是一项重大的挑战。

CO₂电催化还原的机理较为复杂，依据产物的不同可分为两电子、四电子、六电子以及八电子过程。并且从动力学上讲，即便是在具有较高活性的催化剂表面，这些反应速率都相当缓慢。目前已知的高选择性催化剂多为金属催化剂，并可依据其主要产物的不同分为三类：（1）产物以甲酸或甲酸盐为主的Sn、Pb和Bi等金属对CO₂中间体的吸附能力较弱的金属催化剂；（2）对*COOH有较强吸附但对*CO吸附较弱，主要产物为CO的金属材料，如Au、Ag、Pb和Zn等；（3）能够将CO进一步还原为如碳氢化合物和醇类等重要工业原料的金属催化剂，而Cu为目前己知的唯一材料，这是其它金属催化剂所不能替代的。铜基金属合金在催化效率和选择性上表现出优异的性能，也得到深入的研究。例如Zheng等采用三电极电池电化学沉积法合成出Cu/Sn合金实现了在低过电位下的高效CO₂还原为甲酸盐，Gurudayal等采用硅光阴极与银负载的树枝状Cu催化剂相结合，实现了在光驱动下将CO₂还原为烃类，Zhang等利用泡沫Cu负载Bi₂O₃，提高了Cu催化剂的催化活性。CO₂催化的高选择性被认为与电解质、晶体暴露晶面、金属氧化物、电子和几何结构、纳米结构等方面有关，本实验主要研究对象为材料组分和结构对选择性的影响。
氢能是21世纪最有前景的能源之一，其主要优势在于：清洁无污染、燃烧热值高、资源较丰富、适用范围广泛等。浩瀚的大海中蕴含着丰富的氢，若能够将其全部提炼出来，大约可以达到1.4×10¹⁷ t，所能产生的热量约为地球上所有矿物燃料的9000倍。实现氢能广泛应用的关键技术有两个：一方面要能够大量制取氢气；一方面要解决储氢和运输氢的问题。而其中最重要的就是氢的制取问题。制氢的方法主要有电解水制氢、生物质制氢、光解水制氢、矿物质制氢、利用化工过程的副产物制备氢气等。目前，工业化产氢的方法主要分为三类：蒸汽甲烷重整法、煤气化法和电解水法。在这些方法中，蒸汽甲烷重整法和煤气化法的产量约占氢气总产量的95％以上，而电解水法只占氢气总产量的4％左右。显然，目前的工业化制氢还严重依赖化石类不可再生能源，而这些方法并不能解决日益严重的二氧化碳排放和环境污染等问题。蒸汽甲烷重整法是依靠高温下，碳氢化合物与水反应而析出氢气，这一过程不单单产生了氢气，还生成了大量的二氧化碳，而这些二氧化碳如果被排放到大气中，势必会加剧本已严重的温室效应。由此可见，蒸汽甲烷重整法对环境改善的作用不大，甚至还加剧了环境污染和气候变暖。煤气化法仍无法避开对化石类能源的依赖，不能成为现在亟待解决的环境污染和气候变暖问题的对策。而在这三种方法中，电解水在对不可再生能源的依赖性和其简单的反应过程等方面上更具发展前景。

分级枝状材料，由于具有精细的分枝结构，可以暴露出更多表面，提高原子催化利用效率，其枝状结构有利于形成更多结构缺陷，形成更多的催化活性位点，同时其整体结构能有效分散这些纳米分枝，避免团聚产生。本课题设计制备出具有优异电催化性能的分级纳米枝状结构的铜基催化剂，通过分级枝状结构实现其催化活性和稳定性的提高，通过合金化与表面掺杂实现催化选择性的调控。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容