电子信息技术的快速发展与全球能源战略密切相关。高耗能产业的技术创新以及新能源的发展可有效缓解全球能源危机。当下工业化氨制备采用能源密集型的Haber-Bosch工艺,造成大量能源浪费。电催化合成氨技术,反应条件温和,但受限于N2过于稳定且难以活化。如何提高电化学合成氨效率成为当下难题。因此本研究工作以高效电化学合成氨为基本导向,以催化剂的改性以及新氮源的使用为基本手段,结合理论计算以及先进的纳米科学技术,实现高效合成氨。主要研究内容如下:（1）针对CoS2纳米颗粒易团聚且活性不足等问题,制备均匀负载CoS2纳米颗粒的氮掺杂碳（CoS2@NC）纳米盒,高效电催化N2还原反应（N2 reduction reaction,NRR）合成氨。原位构造与碳材料复合,不仅有效增加整体催化剂的电导率,加快电子转移,而且有利于CoS2纳米颗粒均匀分布,防止团聚而失活。构筑的CoS2@NC纳米盒有效增加活性位点密度,有利于物质转换,提高NRR合成氨活性。在0.1M HCl电解液中,-0.15 V相对可逆氢电极（Reversible hydrogen electrode,RHE）电势下,产氨速率为17.45μg mg-1cat.h-1,法拉第效率为4.6%。此外,CoS2@NC纳米盒展现良好的化学稳定性以及耐磨性。（2）针对N2较为稳定且难以活化的特点,选用活化能相对较弱的NO3-作为氮的来源,结合Fe元素掺杂,优化尖晶石Co3O4电子结构,调控催化剂表面和反应物的吸附能,实现高效电催化NO3-还原反应（NO3-reduction reaction,NO3RR）合成氨。密度泛函理论（Density functional theory,DFT）计算认定Fe掺杂提高Co3O4在Fermi能级处的分态密度（Projected density of states,PDOS）,增强金属性。另外抬升Co3O4的d带中心能级,使其更偏向于Fermi能级,优化Co3O4表面与反应物的吸附能。这均有利于增加NO3RR合成氨速率。实验方面,Fe掺杂Co3O4纳米阵列（Fe-Co3O4 NA/TM）有效提高电导率,优化反应动力学过程,与理论结果保持一致。该催化剂在含有50 mM NO3-的0.1 M磷酸盐缓冲液（Phosphate-buffered saline,PBS）电解液中,-0.7 V vs.RHE电势下实现高效NO3RR合成氨,产氨速率为0.624 mg mg-1cat.h-1,法拉第效率可达95.5%。另外Fe-Co3O4 NA/TM表现出优异的电化学稳定性和耐久性。以此电极为正极组装的锌-硝酸盐电池表现出优异的性能,当电势为0.3 V vs.Zn时,功率密度为0.75 mW cm-2,当电流密度为2 mA cm-2,产氨速率为70μg mg-1cat.h-1。（3）基于尖晶石Co3O4,构筑Co3O4-NiFeLDH纳米片阵列（Co3O4-NiFeLDH NA/TM）异质结,实现高效NO3RR合成氨。通过电沉积-空气退火-再次电沉积步骤制备的异质结构,有效增加活性位点密度,加快物质转移。此异质结构存在强的电子相互作用,电荷重新分配,导致形成内建电场（Built-in electric field,IEF）,加快电荷转移。在0.1 M PBS（含有50 mM NO3-）电解液中,-0.9 V vs.RHE电势下,异质结的产氨速率为1.85 mg mg-1cat.h-1,法拉第效率为97%,同时Co3O4-NiFeLDH NA/TM异质结电极表现出优异的电化学稳定性和耐磨性。以此电极为正极组装的锌-硝酸盐电池,实现同步的供电和产氨。具体表现为,当电势为0.28 V vs.Zn时,功率密度为0.7 mW cm-2,当电流密度为1.5 mA cm-2,产氨为71μg mg-1cat.h-1。（4）采用形貌调控,通过水热法-低温磷化法制备不同形貌的CoP纳米阵列。相比而言,CoP纳米线阵列（CoP NWs/TM）拥有出色的NO3RR合成氨活性,由于丰富的活性位点以及优异的电导率加快反应动力学过程。DFT计算探究了CoP用于NO3RR合成氨的可能路径,并确认其反应的决速步骤为第一个H添加到*NO3形成*NO3H的过程。具有优异形貌的CoP NWs/TM在0.1 M Na2SO4（含有50 mM Na NO3）电解液中,-0.8 V vs.RHE电势下,实现1.56±0.42 mg cm-2 h-1的产氨速率和90.1±2.7%的法拉第效率。此外,具有较大的比表面积的CoP NWs/TM展示出优异的电化学稳定性和耐磨性。