Kleine ruimtes in nanoreactoren kunnen grote gevolgen hebben voor de chemie. De chemische aard van moleculen en reacties binnen nanoruimten kan aanzienlijk worden veranderd vanwege het nano-opsluitingseffect. Het begrijpen van de grondbeginselen van beperkte katalyse is een belangrijk onderwerp geworden in heterogene katalyse. 2D-nanoreactoren gevormd onder 2D-materialen kunnen een goed gedefinieerd model bieden voor het verkennen van beperkte katalyse.

Een onderzoeksgroep onder leiding van profs. FU Qiang en BAO Xinhe van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben een studie gepubliceerd in PNAS het onthullen van het geometrische beperkings- en opsluitingsveld in een tweedimensionale (2-D) ruimte tussen een grafeenoverlaag en Pt(111). De studie demonstreert een nieuw concept van beperkte katalyse onder 2D-materialen, die ze 'katalyse onder dekking' hebben genoemd.

De wetenschappers kozen een grafeen / Pt (111) oppervlak als een model voor het bestuderen van beperkte katalyse met behulp van berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). Ze toonden aan dat de adsorptie van atomen en moleculen op het Pt(111)-oppervlak verzwakt is onder grafeen. Een soortgelijk resultaat is gevonden op Pt(110) en Pt(100) oppervlakken bedekt met grafeen. Zowel de geometrische beperking als het opsluitingsveld opgelegd door de 2-D omslag worden toegeschreven aan de waargenomen opsluitingsverschijnselen.

De algemene neiging tot verzwakte oppervlakte-adsorptie onder de opsluiting van een grafeen-overlaag maakt een haalbare modulatie van oppervlaktereacties mogelijk door plaatsing van een 2D-afdekking. Het concept "katalyse onder dekking" kan worden toegepast op reacties tussen twee tegenover elkaar liggende 2D-wanden die op elkaar inwerken door middel van van der Waals-krachten. Het concept helpt bij het ontwerpen van hoogwaardige nanokatalysatoren die interageren met overlagen van 2D-materiaal.

De onderzoeksgroep demonstreerde de opsluiting-geïnduceerde modulatie van oppervlaktereactiviteit in een Pt-gekatalyseerde zuurstofreductiereactie (ORR) onder 2D-afdekkingen. Het is bekend dat de zuurstofbinding aan Pt relatief sterk is, en alle middelen om deze binding te verzwakken kunnen worden gebruikt om de reactie te bevorderen. Bij het plaatsen van verschillende 2D-materialen zoals grafeen en h-BN op het oppervlak, zuurstofbinding met Pt verzwakt, waardoor de ORR-activiteit effectief wordt verbeterd.

Beperkte katalyse onder 2D-materialen kan worden toegepast op ondersteunde nanokatalysatoren. Metalen nanodeeltjes kunnen worden ingekapseld door 2D-materialen, waardoor core-shell nanostructuren worden gevormd. De actieve kernstructuren worden goed beschermd door de buitenschalen en de stabiliteit van de katalysator is verbeterd. Verder, katalysatoractiviteit kan worden versterkt door de opsluiting van de buitenste schillen.