农业化肥大量的消耗以及未经完善处理的工业废水的随意排放,导致地表水和地下水中硝酸根浓度逐渐增加,严重威胁着生态系统的可持续性以及人类社会的生命安全。为了应对严重的硝酸根水体污染,各种处理技术被提出应用在污水脱氮领域中。其中电催化脱氮技术由于高效、操作简单可控、成本低、无需化学试剂的投加、更宽的pH工作范围、较低的二次污染风险,且可通过可再生能源（如风能,太阳能,潮汐能等）产生的电力驱动进行的优点,受到了学术界和工业界的广泛关注。阴极催化剂作为电化学脱氮技术的核心组成部分,直接决定了电化学体系整体的脱氮效率,而目前的电催化材料普遍存在着活性低、稳定性差的问题,尤其是因为催化活性位点与电解质的直接接触导致催化活性组分的持续浸出不仅影响了催化剂的长期操作可行性也带来了严重的二次污染,严重限制该技术的发展和应用。为了解决以上问题,我们提出通过设计具有N掺杂石墨碳壳包覆金属纳米颗粒结构的碳基材料实现电催化活性和稳定性的兼顾,并且通过实际废水的降解实验探索了其实际应用的可能性。主要实验结果如下:（1）第一部分通过简单一步高温热解的方法制备了N掺杂石墨碳壳包封Fe纳米颗粒的碳基催化剂（标记为Fe（20%）@N-C）,验证其作为电催化剂降解硝酸根的可行性。与其他对照催化剂（包括具有相同包覆结构但金属含量更低的催化剂）的脱氮效率相比,所得的Fe（20%）@N-C的硝酸盐去除率达到了83.0%（在第一个运行周期中获得）。在不存在Cl-的情况下,硝酸根还原的氮气选择性为25.0%,当添加1.0 g L^-1 Na Cl时,氮气选择性增加至100%。更重要的是,在20次的循环过程中Fe（20%）@N-C催化剂所实现的硝酸根去除率在统计学上无显著差异（在95%置信区间内）。密度泛函理论（DFT）的计算表明,铁纳米颗粒可以减弱相邻碳原子（即NRR的反应位点）的功函,并且石墨化的碳壳会阻隔电解质的进入,从而保护铁颗粒免受溶解和氧化。用实际的工业废水（来自当地焦化废水处理厂的生物废水）进行测试进一步证明了Fe（20%）@N-C催化剂对硝酸根还原反应的优越性。（2）为了进一步挖掘和提升该结构的催化性能,原子尺度理解其反应的构效关系显得十分重要。本文第二部分探讨了当碳纳米管内嵌不同金属纳米颗粒时,催化剂的催化活性是否存在差异以及活性差异的起源。结合实验和理论计算证明,内嵌的不同金属（Fe、Co、Ni）与掺杂在碳纳米管表面上的N原子相互作用的强弱,决定了其催化活性。在与第一部分相同的实验条件下,优化的实验组（标记为Co@NCNT）可以实现接近100%的降解效率,同时循环40圈并未有显著的活性衰减。此外我们还研究了实际应用过程中可能遇到的环境因素对其催化活性的影响（溶解氧和自然有机物质）,实验结果表明由于独特的核壳结构避免了高活性的纳米金属颗粒与各种物质的接触,从而保证了催化剂的抗干扰能力。进一步通过电子自旋共振技术（Electron Spin Resonance,简称ESR）以及电化学体系的掩蔽实验证明了在Co@NCNT体系中氢自由基介导的硝酸根去除机理的存在。本研究证实了具有N掺杂的石墨碳壳包封金属纳米颗粒结构的碳基催化剂具有优异的硝酸根电化学去除的催化活性和稳定性,得益于内嵌的金属纳米颗粒与氮掺杂碳壳的协同作用,即避免了纳米颗粒因为与电解质直接接触而导致活性金属组分浸出的问题,同时金属纳米颗粒与碳壳的电子转移作用激活表明惰性的碳原子,兼顾了催化活性和稳定性。该研究结果为未来电化学技术在实际废水处理中的应用与发展提供了启发与参考,特别是在处理严苛复杂的水质过程中（如高盐度、高污染物浓度、苛刻的pH条件、有机物质的干扰）提供了一条可行的思路。