氨是目前为止世界上需求最多的无机化合物之一,其在农业、医药、军工、化工等领域具有重要的应用。哈伯法合成氨深刻地改变着这个世界,现在全球约有48%的人口是由哈伯法合成氨技术增产的粮食养活着。活性氮是细胞DNA、RNA的重要组成部分,某些重要的营养物如多肽、氨基酸、维生素也可以被人工大量地改性合成出来。随着哈伯法合成氨的发展,硝酸铵、硝化甘油、三硝基甲苯等含氮炸药等被大批量合成用于国防及基础设施的建设,许多以前昂贵或稀有化合物如合成纤维、合成树脂、染料等也可以被大量生产。氨还是一种清洁的非碳基新能源液体燃料,它可以高效的储存氢能,其体积能量密度是液氢的1.5倍。其液态的形式也有助于其通过油罐或管道进行大批量的运输。哈伯法合成氨需要高温高压反应条件,其依赖的化石原料在逐渐枯竭,而且还伴随着大量的二氧化碳排放。而用电化学方法合成氨是一种非常理想的方式,其不需要高温高压,在常温常压下即可进行,且设备制造简单,不需要较高的基础设施。其可以方便地与新能源技术相结合,有利于实现储氢系统的大面积网格化分布,具有很广阔的应用前景。但是氮气是一种非极性惰性气体,且在水中溶解性极低。在负电位下氮气还原还面临着析氢反应的竞争问题,导致其法拉第效率很低。单纯地从催化剂角度入手去解决以上问题显然是不够的。因此本论文从多个方面出发提出了新颖的解决思路与实施策略,并从实验和理论上研究了提升氨产量和法拉第效率的有效手段,具体研究如下:（1）首次仿生于水蜘蛛腹部的疏水性毛发,我们在电极上构建仿生亲气-亲水异质结。将亲水的碳球与疏水的超细多孔Bi₅O₇I纳米管结合,有效地构筑了稳定的气液固三相界面,提高了催化剂附近的氮气溶解度,提高了氨产量与法拉第效率。首次仿生于血蓝蛋白运载氧气的行为,我们将亲气的超细多孔Bi₅O₇I纳米管添加进电解液当中,悬浮在电解液中的超细多孔Bi₅O₇I纳米管提高了氮气的传输速率,且起到了助催化剂的作用。理论计算结果显示以side-on方式进行酶催化反应路径具有较低的反应能垒。本章节从电极、电解液出发为提高氨产率和法拉第效率提供了一个新的策略。（2）首次仿生于细胞膜的选择透过性,我们研究了H型电解池中的膜离子通量与法拉第效率的关系。在以平板电容器为基础物理模型的条件下,电解质的介电常数和电极表面的电场强度的函数关系被推导出来。通过研究氢离子传导速率与法拉第效率的关系,我们得出了理想状态下用于析氢反应的氢离子传导速率与法拉第效率之间的函数关系,在一定范围内其与实验值高度匹配。用快速升温与快速淬火的方法合成了负载于硅纳米线上的FeAg纳米团簇,表面等离子体共振增强的FeAg纳米团簇具有较高的活性,其测试结果具有较强的说服性。理论计算结果显示FeAg纳米团簇中Fe原子之间的距离越近与其对于氮气分子的吸附能力越强。有我们开辟了通过调控氢离子传导速率而可以连续的调节法拉第效率的新策略,该策略几乎可以无限制地方便地用于现阶段绝大多数的催化体系,为进一步研究氮还原反应开辟了一片新天地。（3）电催化合成氨的效率不仅受制于氮还原的催化活性,还受到阳极析氧催化剂活性的影响。利用低温溶解纤维素技术,将棉花在低温下溶解。之后在溶解的纤维素中加入铁盐和镍盐,并进行水热反应、冷冻干燥与二次煅烧,最后成功制得了负载于网状碳材料的Fe₅Ni₄S₈催化剂。该催化剂其具有较低的过电势和电荷转移阻抗。其活性的提高来自于Fe与Ni原子3d轨道电子的相互作用,从晶体场理论出发分析了3d电子相互作用的机制。这种不对称的d轨道组合提高了Fe原子的d带中心,降低了Ni原子的d带中心,从而提升了整体的催化活性。本章节为设计高性能的阳极析氧催化剂提供了新策略。