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CO2分子形狀是直線形的，其結構曾被認為是：O=C=O。但CO2分子中碳氧鍵鍵長為116pm，介于碳氧雙鍵（鍵長為124pm）和碳氧三鍵（鍵長為113pm）之間，故CO2中的碳氧鍵具有一定程度的叁鍵特征。
現代科學家一般認為CO2分子的中心原子碳原子采取sp雜化，2條sp雜化軌道分別與2個氧原子的2p軌道（含有一個電子）重疊形成2條σ鍵，碳原子上互相垂直的p軌道再分別與2個氧原子中平行的p軌道形成2條大π鍵。

二氧化碳的電化學還原是一個利用電能將二氧化碳在電解池陰極還原而將氫氧根離子在電解池陽極氧化為氧氣的過程，由于還原二氧化碳需要的活化能較高，這個過程需要加一定高電壓后才能實現，而在陰極發生的氫析出反應的程度隨電壓的增加而加大，會抑制了二氧化碳的還原，故二氧化碳的高效還原需要有合適的催化劑，以致二氧化碳的電化學還原往往是個電催化還原過程。這個過程的簡單機理為：⑴電解池陰極：在初始階段，二氧化碳被吸附在陰極催化劑表面，形成中間產物（反應式①）；然后電子在兩個電極間電勢差的作用下發生轉移，轉移數可能是2、4、6、8、12，還原產物隨電子轉移數的不同而可能是一氧化碳、甲酸根、甲酸等（反應式②-④）。⑵電解池陽極：水溶液中發生析氫反應，產生氫氣（反應式⑤、⑥）。

1896年，瑞典化學家阿累尼烏斯（即斯萬特·奧古斯特·阿累尼烏斯，Svante August Arrhenius，1859年－1927年）通過計算指出，大氣中二氧化碳濃度增加一倍，可使地表溫度上升5～6℃。

1787年，拉瓦錫在發表的論述中講述將木炭放進氧氣中燃燒后產生的“固定空氣”，肯定了“固定空氣”是由碳和氧組成的，由于它是氣體而改稱為“碳酸氣”。同時，拉瓦錫還測定了它含碳和氧的質量比（碳占23.4503%，氧占76.5497%），揭示了二氧化碳的組成。
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