氨（NH3）是化工和农业发展的重要资源。目前,Haber-Bosch工艺是工业生产NH3的主要方法。但是Haber-Bosch工艺存在诸多限制因素,比如反应条件苛刻（高温、高压）以及化石燃料燃烧释放大量CO2导致温室效应加剧。因此,亟需探索一种在温和条件下合成NH3的方法,以未来取代Haber-Bosch工艺。光电化学氮气或硝酸盐还原（PEC NRR）制NH3不仅能够在温和条件下进行,而且还是一种安全可控的固氮技术。然而,由于该绿色工艺存在较为严重的竞争性析氢反应（HER）、较低的NH3产率以及法拉第效率（FE）等问题,使得PEC NRR技术难以在工业中大规模应用。因此,设计具有高选择性、稳定性以及低成本的催化剂,成为解决上述问题的关键。本文基于异质结构的表面位点优化,实现了具有强吸附活化能、优异电荷传输速率和高太阳能利用率系列的催化剂构建,并成功将其用于高效PEC NRR制NH3。相应实验结果和研究内容如下:1、Mo2C/C异质结构可以有效地降低催化剂表面氢气溢出的覆盖率,显著抑制了竞争性HER,因此对N2活化具有理想的选择性。同时,C壳的修饰进一步提高了Mo2C的稳定性和导电性。Mo2C的Mo位点被认为是PEC NRR的活性中心,其在制氨性能中发挥了主导作用。晶体结构由X射线衍射仪（XRD）分析。样品的元素组成和价态通过X射线光电子能谱（XPS）进行测试。Mott-Schottky数据和电化学阻抗光谱（EIS）数据由电化学仪器（普林斯顿）测量。反应液的吸光度由紫外-可见吸收光谱测试。N2程序升温脱附（TPD）光谱研究了样品对N2分子的选择性吸附能力。Mo2C/C异质结构实现了高达6.6μg h-1 mg-1的NH3产率,为单一C基质的3倍。同时,其FE达到37.2%。深入分析了Mo2C/C异质结构和N2活化之间的构效关系,即溶解于反应液中的N2分子被Mo2C/C表面活性位点吸附,且电子注入N2分子的反键轨道,促进非极性N≡N活化。该研究也进一步揭示了Mo2C/C异质结构在绿色合成NH3方面的巨大潜力。2、首次实现了CuPc光电阴极表面修饰超薄Ce-MOF,Ce-MOF不饱和位点和多孔结构有效提高了光阴极表面的化学吸附能力和反应动力学。借助XRD对CuPc和CuPc/Ce-MOF的晶体结构进行了表征。通过FTIR研究CuPc和Ce-MOF中有机官能团。借助XPS数据确定样品中的元素组成和价态。采用紫外-可见吸收光谱分析反应液的吸光度。该工作深入研究CuPc和Ce-MOF两相基质的协同作用机制,获得了优异的NH3产率和FE分别为1.58μg h-1cm-2和3.6%,并为设计基于有机半导体的PEC NRR体系提供了一个新的视角。3、设计了铜酞菁/二氧化铈（CuPc/CeO2）异质结构模型,以研究Ce3+/Ce4+变价对氧空位（OVs）形成的作用机理,实现了PEC NRR体系中NO3-化学吸附和活化行为的调控。此外,独特的有机-无机异质结构有助于理解太阳能-载流子-NH3的能量转换过程。通过XRD对CuPc和CuPc/CeO2的晶体结构进行了表征。基于FTIR光谱研究了CuPc/CeO2中的有机官能团。通过XPS谱确定元素的组成和价态。采用紫外-可见吸收光谱分析反应液的吸光度。拉曼光谱进一步研究了样品的化学组成。利用H2程序升温还原（TPR）来表征CuPc/CeO2的氧化还原行为。CuPc/CeO2表现出优异的NH3产率(1.16μmol h-1 cm-2)和FE（33%）,并且其在PEC NRR过程中的稳定性良好。通过H2程序升温还原（H2-TPR）曲线进一步证明了CuPc/CeO2异质结构在PEC NRR体系中具有优越的氧化还原活性。同位素~1H NMR结果进一步证实了NO3-→NH3转化过程的准确性。因此,CuPc/CeO2的构建显著优化了PEC NRR体系的热力学和动力学因素,为设计基于有机-无机杂化催化剂的绿色制NH3体系提供了新思路。