清洁电力驱动电催化二氧化碳（CO₂）还原可生成一氧化碳、烯烃、醇等含碳小分子，有利于我国低碳能源体系的建设和“双碳”目标的实现。如何针对电催化CO₂还原反应设计高效的阴极电催化剂是将其推向工业化的重要挑战之一。过渡金属催化剂的d轨道电子云结构决定了金属位点与反应中间体吸附能的大小，进而影响电催化过程中CO₂分子的活化、C=O键的断裂、C-H键及碳碳键生成、电子-质子耦合传输过程。根据催化中的“Sabatier原理”（即火山图原理）：当催化活性中心与反应中间体具有适宜的吸附强度时，催化剂才可表现出较好的活性。由于电催化CO₂还原过程中反应中间体种类繁多，如何构筑高活性金属催化位点、探明中间体吸附与转化机制，是当前面临的关键科学问题。

课题组聚焦电催化CO₂还原反应，围绕高活性金属催化位点的构筑以及中间体吸附与转化机制的探索，针对一碳（C₁）、二碳（C₂）、三碳（C₃）产物的生成展开了系统的研究，取得了一系列国际影响力的原创性研究成果：（1）CO₂至C₁产物的转化：调控金属活性中心的电子能态及表面微结构，构筑针对C₁产物的低成本催化剂，利用电化学吸附揭示活性中心电子能态对中间体与金属间（M-CO）吸附能的影响机制；（2）CO₂至C₂产物的转化：采用杂原子与铜协同催化的策略，构筑铜基双金属催化剂，解决铜对C₂产物选择性差的问题，利用原位拉曼光谱追踪CO中间体的动态演变；（3）CO₂至C₃产物的转化：调控晶界密度及不同Cu晶面的比例，构筑Cu纳米晶催化剂，解决C₃产物产率低的问题，运用同位素示踪法并耦合质谱分析技术揭示碳碳偶合关键中间体。