随着我国“碳达峰”、“碳中和”科学发展目标的提出，利用绿色电能将二氧化碳（CO₂）通过电化学催化方式转变成生产/生活所需的能源产物（如合成气、甲烷、乙烯、乙醇等），成为“碳减排”方式以外能够实现高效“碳循环”，并促进能源产业升级的有效技术途径。基于此愿景，高效催化剂的设计以及对电化学催化CO₂还原反应（CO₂ reduction，CO₂R）机理的研究尤为关键。近年来，大量分子催化剂（金属离子/有机配体形成的配合物分子）和固体催化剂（金属及其合金电极，碳及其参杂材料、MOF/COF新型催化材料等）被设计出来，但是绝大部分都基于实验室理想的测试环境，而对工业生产条件下的实际问题考虑不足。聂伟轩教授课题组研究将聚焦于该领域两大催化剂类别——分子催化剂和固体催化剂受限于实际生产条件和要求的瓶颈问题：

1. 分子催化剂：

a) 如何降低能耗而提高催化活性？

打破传统分子催化剂“催化活性”与“有效过电位”的关联限制（scaling relationships），设计出在较低CO₂R过电位下具有高催化活性的新颖分子催化剂体系，实现“节能”与“高产”的同步优化。

b) 产生高价值的CO₂还原产物

通过对传统CO₂还原机理的突破和改变，以及对新颖分子催化剂结构的设计，期待发展出能够将CO₂高选择性地催化还原成>2电子（除CO与甲酸以外的）高阶还原产物的分子催化体系。

2. 固体催化剂：

a) 如何提高工业生产中CO₂气体的利用率？

调控催化剂表面微环境，实现酸性溶液中高效的CO₂还原，避免CO₂气体在电解液中形成碳酸根离子，提高CO₂利用率。

b) 有效利用工业废气中的CO₂

调控催化剂表面微环境，实现低浓度非纯态CO₂气体的有效催化还原。