Piccoli spazi nei nanoreattori possono avere grandi implicazioni per la chimica. La natura chimica delle molecole e delle reazioni all'interno dei nanospazi può essere modificata in modo significativo a causa dell'effetto di nanoconfinamento. La comprensione dei fondamenti della catalisi confinata è diventata un argomento importante nella catalisi eterogenea. I nanoreattori 2-D formati con materiali 2-D possono fornire un modello ben definito per esplorare la catalisi confinata.

Un gruppo di ricerca guidato dai Proff. FU Qiang e BAO Xinhe dell'Accademia cinese delle scienze hanno pubblicato uno studio in PNAS rivelando il vincolo geometrico e il campo di confinamento nello spazio bidimensionale (2-D) tra uno strato di grafene e Pt(111). Lo studio dimostra un nuovo concetto di catalisi confinata in materiali 2-D, che hanno chiamato "catalisi sotto copertura".

Gli scienziati hanno scelto una superficie di grafene/Pt (111) come modello per lo studio della catalisi confinata utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT). Hanno mostrato che l'adsorbimento di atomi e molecole sulla superficie di Pt(111) è indebolito dal grafene. Un risultato simile è stato trovato su superfici di Pt(110) e Pt(100) ricoperte di grafene. Sia il vincolo geometrico che il campo di confinamento imposto dalla copertura 2-D sono attribuiti ai fenomeni di confinamento osservati.

La tendenza generale all'adsorbimento superficiale indebolito sotto il confinamento di uno strato di grafene consente una modulazione fattibile delle reazioni superficiali mediante il posizionamento di una copertura 2-D. Il concetto di "catalisi sotto copertura" può essere applicato alle reazioni tra due pareti 2-D opposte che interagiscono tra loro attraverso le forze di van der Waals. Il concetto aiuta nella progettazione di nanocatalizzatori ad alte prestazioni che si interfacciano con strati di materiale 2D.

Il gruppo di ricerca ha dimostrato la modulazione indotta dal confinamento della reattività superficiale in una reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) catalizzata da Pt sotto coperture 2-D. È noto che il legame dell'ossigeno al Pt è relativamente forte, e tutti i mezzi per indebolire questo legame possono essere usati per promuovere la reazione. Quando si posizionano diversi materiali 2-D come grafene e h-BN sulla superficie, il legame dell'ossigeno con il Pt si indebolisce, migliorando così efficacemente l'attività ORR.

La catalisi confinata in materiali 2-D può essere applicata ai nanocatalizzatori supportati. Le nanoparticelle metalliche possono essere incapsulate da materiali 2-D, formando così nanostrutture core-shell. Le strutture del nucleo attivo sono ben protette dai gusci esterni e la stabilità del catalizzatore è migliorata. Per di più, l'attività del catalizzatore può essere potenziata dal confinamento dei gusci esterni.