甲醇是一种有用的液态氢源，具有方便燃料电池的存储和运输的功能。更重要的是，是一种可以替代汽油的液体燃料！然而，二氧化碳（CO2）还原生成甲醇是一个6电子过程，需要极长的电荷载流子寿命才能使电子积聚。
此外，甲醇会在TiO2上约10 ns内捕获空穴，因此其氧化在动力学上优于水氧化（约1 s），使得连续生产甲醇面临巨大的挑战。目前，几乎没有报道过从CO2和水中化学计量生产甲醇和氧气具有高选择性、长期稳定性和优异的内部量子产率（IQY）。
同样，由于缺乏合适的助催化剂来选择性地将空穴转移到水上。
因此，为了利用水作为可持续的空穴清除剂并从CO2中选择性地生产甲醇，需要设计一种理想的空穴接受碳点（CD），主要取决于对光物理过程的基本了解。
虽然瞬态吸收光谱法（TAS）有助于理解用于水分解的半导体的电荷载流子动力学，但是在超快的时间尺度上仍不了解CO2转化过程中的光谱学特征，从而阻碍合理的开发目标光催化剂。
基于此，英国伦敦大学的Junwang Tang和Zhengxiao Guo（共同通讯作者）团队联合报道了通过TAS研究发现，当利用可扩展微波法合成的碳点（mCD，石墨相）时，研究人员在mCD/氮化碳（CN）复合材料中区分了CD可以作为空穴受体的独特性。
当通过超声处理合成的碳点（sCD，无定形）时，CDs也可以在sCD/CN复合材料中充当电子受体。对比sCD，mCD将CN中电子的寿命延长了四倍，有利于实现多电子的还原过程。
值得注意的是，mCD/CN纳米复合材料稳定的产生化学计量的氧气和甲醇，具有接近统一的选择性，这通过13C标记（原子示踪法）证实，在420 nm处的IQY为2.1％。然而，sCD/CN复合材料仅产生CO（一种双电子产物）。
此外，独特的mCD捕获了电子中的空穴，并阻止了还原产物甲醇的吸附，因此有利于氧化水而不是甲醇，并提高了CO2还原为醇的选择性。
【内容解析】
本文中，研究人员通过精心设计和结合碳点/碳氮化物（mCD/CN）作为催化剂，在阳光照射下，利用水和CO2稳定地转化为化学计量的O2和甲醇，其选择性接近100％。总体而言，该催化系统驱动了两个光反应，分别是：
（1）水（H2O）氧化反应；
（2）CO2还原为高价值产品，此种情况下为甲醇（CH3OH）。
具体言之，研究人员利用CN作为高性能光催化剂，CD作为助催化剂，通过整合CD/CN来加快反应速率。
并且，研究人员根据不同配方合成两种CD样品来探索CD作为助催化剂的性能。
两个CD均以其最佳浓度加载到CN上：mCD/CN的浓度为3.5％，sCD/CN的浓度为3％。通过结合吸光性光催化剂和助催化剂的异质结可以使得电子和空穴分别流向不同的材料，以限制了它们彼此发现的速度（重组的湮灭反应）。
研究发现，水氧化反应是最慢的步骤，会限制整个系统的效率。
因此，改进系统更直接途径是开发能够从光催化剂中提取空穴并促进反应活性的水氧化助催化剂。
基于此，研究人员通过时间分辨光谱（TRS）研究了mCD/CN和sCD/CN两种催化剂，发现sCD在sCD/CN中充当电子受体，而mCD在mCD/CN中作为空穴受体。
利用TAS研究发现，CD/CN接口上的电荷分离将电荷载流子的寿命从25 s（CN）延长到160 s（mCD/CN）或仅增加40 s（sCD/CN）。
因而mCD/CN的寿命更长，可增强后续反应的参与性。
此外，sCD/CN是将CO2转化为CO，而mCD/CN可以选择性地将CO2还原为甲醇，其选择性高达99.6±0.2％。
同时，在相同的实验条件下观察到，mCD/CN复合材料的催化活性比sCD/CN高出12倍，而二氧化碳转化率更高。
最后，通过理论计算（DFT）结果表明，水比mCD（空穴在其中聚集）更喜欢吸附，而甲醇比CN（电子在其中聚集）更喜欢吸附，从而有利于水选择性氧化为O2，同时避免了光还原产物甲醇的继续氧化。
因此，生产甲醇具有出色的接近单位选择性和在420 nm处的高IQY（2.1％），以及在500 nm和600 nm处的基准IQY（分别为0.7％和0.4％）。
总之，利用该策略通过水选择性地将温室气体（CO2）转变为高价值化学品，从而提供可持续的液体燃料并且有利于结束全球碳循环。
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