氨在肥料生产中的巨大应用和作为能量载体的潜能,使得氨是最重要的化学品之一,主要用作氮肥的前体,使农民能够为不断增长的世界人口提供足够的食物来源,且导致食品生产方式发生根本变化。目前氨的生产主要是应用发明于20世纪初Haber-Bosch工艺,旨在将氮和氢工业转化氨,这个具有百年历史的工艺今天继续生产超过90%的氨,但这种工艺面临着在高温高压下,导致大量的能源消耗和显著的环境污染问题。最近,哈伯-博施生产氨工艺逐渐转变为电化学,等离子体化学,热化学和光化学生成氨的研究。利用可再生电力驱动的氮气和氢气制造氨取代百年历史的哈伯-博施工艺被誉为最有可能的合成策略,由于其环境友好性和成本效益低的特点,世界各地正在进行研究和开发。基于目前研究现状及需求,本论文研究主要基于温和环境条件下,以可再生能源作为驱动,利用电化学技术还原氮气合成氨,用以取代较为耗能的绿色合成氨的哈伯-博施工艺,旨在替代化石燃料原料并为全球人口更多的提供可持续性能源发展,这是一种更加环保的策略。氮气还原反应,理论上在环境条件下使用水作为氢源,以减轻环境污染问题和温室气体排放,现已被提议作为氨生产的可持续替代工艺备案。目前研究关键的瓶颈在于吸附和活化惰性氮气气体。最近,已经证明多种贵金属电催化剂在环境条件下水系电解液体系中存在活性作用,但电化学性能仍然非常差,因为大多数过渡金属相对于氮气气氛的吸附,更加有利于质子的竞争性吸附进而放氢。除此之外,贵金属的稀缺性和高成本也导致了长期可用性方面的不足。因此,开发高效和高选择性的电催化剂以获得关键氨产物以及降低较高过电位是极具挑战性的。本论文以第五主族铋基非贵金属材料作为主要研究对象单元,通过优化主要研究对象单元合成方案,进一步调控目标材料的微观结构和理化性质,获得最优异的电化学氮气还原性能,研究内容主要包括以下两个方面:1.提出氧化物衍生的非贵金属铋,并在氮气电化学还原反应中进行说明。在诸多催化剂中,首先利用还原试剂在水溶液中将合成的前驱体进行第一步弱化学还原合成,然后进一步通过电化学还原方法进行二次还原,得到的具有纳米级微观结构的铋金属催化剂,其具有不同的（003）活性面。本论文制备纳米级金属微量元素铋催化剂的还原方法具有较高的催化活性和选择性。此外,催化剂制备方法简单,条件温和,产率高,易于工业化生产。2.通过研究,确定半金属铋（Bi）可能是电化学氮气还原反应中有希望的候选金属催化剂,因为它与H原子结合性较差。然而,作为第五主族元素,其稳定的价电子结构不利于氮气的吸附和活化。幸运的是,铋的电子特性可以通过特定的合成方法进行调制:在本文中,利用低温等离子体轰击技术,以氧化铋纳米片为前驱体,制备具有较高含量的孤立铋空位的Bi（110）纳米片。在温和条件下水系电解液中,这些富含缺陷的Bi（110）纳米片在-0.6 V vs.RHE时显示出高法拉第效率（FE=11.68%）,并且在-0.9 V vs.RHE时,¹⁵NH₃生成率为5.453μg mg_Bi^-11 h^-1(通过粗糙度系数归一化为2.400μg h^-11 cm^-2)。本文的这次研究是首次用¹⁵N₂或¹⁴N₂气体进行¹H NMR测量,定量测试方法用于含水电解质中的所有数据。