氨在工业、农业和能源储存上都有广泛的应用。工业Haber-Bosch法合成氨需要高温高压的催化环境对生产设备要求高,并伴随着CO₂温室气体及部分有害气体的排放。然而目前全球面临着严重的环境问题和能源危机。因此,需要寻求新的再生合成氨技术。太阳能是一种绿色能源,可利用其在常温常压下实现N₂和H₂O的高效合成氨反应。目前大多人主要是在过渡金属氧化物上构建各种空位（O、N、S空位等）或利用贵金属的等离子体高能电子进行光/电催化氮气还原。本论文设计得到了一系列带空位或掺杂的纳米催化剂,高效提升对氮气的吸附和活化能力,主要包括以下几个部分:（1）采用溶解-再生煅烧技术合成了带N空位的g-C₃N₄（NVs-g-C₃N₄）,再利用醇热法合成了NVs-g-C₃N₄/WO₃异质结光催化剂。O空位富电子可以作为Lewis碱,理论计算表明,N空位是缺电子的,可认为它是Lewis酸。在醇热过程发生剧烈的酸碱中和反应,形成C-O键,以此构筑一个十分牢固的异质结。将该催化剂用于常温常压下光催化H₂O和N₂还原的研究。N空位的形状和大小与N₂中的氮原子相同,可与N₂分子形成端向吸附结构,选择性地吸附和活化N₂,拉长氮氮三键。同时利用异质结提高光生电子-空穴分离效率。通过DFT计算和N₂的程序升温脱附曲线（N₂-TPD）可知,NVs-g-C₃N₄的N空位具有较大的吸附活化N₂分子作用,是重要的N₂还原活性中心。（2）利用光沉积技术在W₁₈O₄₉上修饰了Ru纳米颗粒。探究了不同Ru的修饰量以及氧化钨上氧空位对固氮活性的影响。Ru在W₁₈O₄₉的O空位与W₁₈O₄₉形成了一个强相互作用的界面区域。生成的Ru/W₁₈O₄₉比纯W₁₈O₄₉的固氮活性提高6.4倍,实验证明O空位或Ru纳米颗粒并不是最佳固氮活性中心。该催化剂的活性中心在Ru和W₁₈O₄₉形成的界面区域。Ru与W₁₈O₄₉构建了Ru-W双金属中心。双金属中心吸附N₂分子后,Ru和W原子对N₂的两个N氮原子不对称极化吸附,使氮氮三键与金属中心形成桥联键高度极化,增强其光催化氮气的还原合成氨的反应活性。（3）利用低温煅烧合成了C掺杂Bi₂WO₆（CBWO）花状微球催化剂。利用其双金属具有不同的电子结构和电负性的特性,对氮气分子吸附或活化。C位点比O空位具有更强的活化氮气分子的能力。由于C原子半径比O大,金属与C的键长更长,导致两种金属距离更远,从而更加有利于氮氮三键的极化拉长,提高其催化活性。此外,我们还构建了二氧化钛纳米管阵列（TNTs）作为光阳极驱动阴极CBWO催化氮气还原的光电催化系统。结果表明,光阳极驱动催化氮气还原的活性高于电催化还原的活性,证明光的引入可以促进暗阴极固氮。