西安交通大学胡超课题组利用原子层沉积技术耦合热退火策略，成功在导电碳布表面制备了一层原子层厚度的富含氧空穴缺陷的TiO₂镀层催化剂。当TiO₂沉积厚度为64 nm时，催化剂具有最优的电催化合成氨反应性能（法拉第效率为31.6%、氨产率为3.4 µg h^-1cm^-2）。该成果为利用原子层沉积技术合成超薄氧化物催化剂应用于电催化反应提供了新的研究思路。

100 多年前，Haber-Bosch 工艺（400-600 °C，20-40 MPa）开创了大规模制氨的先河，这彻底改变了肥料的制造方式，并为全球食品生产做出了巨大贡献。然而，Haber-Bosch工艺消耗大量化石能源（超过世界年能源产量的 1%），导致大量CO₂排放。电化学氮还原反应 (Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction, eNRR) 是传统 Haber-Bosch 制氨工艺的一种有前途的替代方案，但此过程受到 N≡N 的高键能和析氢副反应的困扰。最近的研究表明，增强N₂在催化剂表面的吸附和活化是提高eNRR性能的关键，在金属氧化物表面引入氧空位是设计高性能催化剂的有效途径。

针对上述问题，西安交通大学胡超课题组利用原子层沉积技术设计并制备了一种厚度可控的富含氧空穴的TiO₂镀层催化剂用于eNRR过程。研究小组发现，锐钛矿型TiO₂表面的氧空位是eNRR的催化活性位点；TiO₂厚度显著影响催化剂的电催化eNRR性能，过薄的TiO₂层会降低活性位点的密度，而过厚的TiO₂层则会降低催化剂的电导率。当TiO₂厚度约为64 nm时，镀层催化剂展现出最佳的eNRR电催化活性，在 0 vs. RHE 电位、0.5 M LiOH 水性电解液中的法拉第效率为 31.6%，氨产率为3.4 µg h^-1 cm^-2。该催化剂性能显著高于大部分报道的Ti基电催化剂，并且其在整个电催化NRR过程中保持了良好的重现性、选择性和稳定性。该工作不仅是原子层沉积技术合成超薄半导体氧化物催化剂应用于高效电化学固氮的开创性的工作，而且研究中的许多发现将为负载型氧化物催化剂的设计提供新的思路。