光催化有机合成具有巨大的潜力，可为制造各种高附加值化学品提供绿色温和的途径。然而，它仍然存在转化效率低和选择性差的问题。构建能级匹配的人工光合成体系（Z型结）是增强光催化性能的有效策略。然而，不充分的界面接触、高的界面能垒和电荷转移通道的匮乏，严重地阻碍了组分间的界面电荷转移。

近日，中国地质大学（北京）黄洪伟教授与上海应用技术大学余焓博士等人，通过原位生长法制备了具有化学键合界面及强内电场的α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl (M=Nb,Ta) 点-片Z型结。实验结果与理论计算表明：内电场为α-Fe₂O₃与Bi₄MO₈Cl之间光生电荷的矢量迁移提供了强大的驱动力；界面Fe-O键不仅作为原子级电荷传输通道，还降低了界面电荷转移能垒，因此显著加速了Z型电荷转移，并实现了有效的空间电荷分离。所合成的α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结对于芳香醇选择性氧化为芳香醛表现出优异的光催化活性（Con.≥92%，Sel.≥96%），性能相比单组分提高了1~2个数量级。

通过溶剂热法，将α-Fe₂O₃纳米点原位锚定在Bi₄MO₈Cl纳米片上，制备了α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结。SEM与TEM揭示了α-Fe₂O₃与Bi₄TaO₈Cl之间形成紧密牢固的界面。HRTEM表明异质界面由α-Fe₂O₃的{110}晶面与Bi₄TaO₈Cl的{001}晶面耦合形成。

与纯的α-Fe₂O₃、Bi₄MO₈Cl相比，所制备的α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结表现出显著增强的光催化活性，实现了高转化率、高选择性地氧化苯甲醇为苯甲醛，反应速率常数提高了1~2个数量级。此外，本文所得异质结的光催化性能超过了大多数催化剂，并且与先前报道的一些最先进的材料相当。

暗态KPFM揭示了α-Fe₂O₃/Bi₄TaO₈Cl具有最高的表面电势，表明其具有最强的电场。光照后，α-Fe₂O₃/Bi₄TaO₈Cl的表面电势显著降低了13.3 mV。这归因于光生电子累积在α-Fe₂O₃的表面，从而削弱了电场强度，这也为Z型结的形成提供了证据。在内电场的驱动下，α-Fe₂O₃/Bi₄TaO₈Cl点-片Z型结实现了有效的空间电荷分离，随后产生了丰富的活性物种。

通过DFT计算揭示了界面电荷转移机制。首先，电子局域函数进一步证明了异质界面Fe-O共价键的存在。结合功函数与差分电荷密度的计算，α-Fe₂O₃与Bi₄TaO₈Cl紧密接触后，能诱导界面电荷再分布，从而形成由α-Fe₂O₃指向Bi₄TaO₈Cl的内部电场。另外，界面Fe-O共价键不仅作为原子级电荷传输通道，还能降低界面电荷转移能垒（ca. ⁓5.5 eV）。因此，在内电场与界面化学键的协同作用下，显著加速了Z型电荷转移并实现了有效的空间电荷分离，从而有利于产生丰富的光活性物种，最终极大地促进了芳香醇的光催化选择性氧化。本文为界面电荷调控提供了原子水平见解，有望为发展高效的异质结催化剂提供参考。