Små utrymmen i nanoreaktorer kan ha stora konsekvenser för kemin. Den kemiska naturen hos molekyler och reaktioner inom nanorymden kan förändras avsevärt på grund av nanoinneslutningseffekten. Att förstå grunderna för begränsad katalys har blivit ett viktigt ämne i heterogen katalys. 2-D nanoreaktorer bildade under 2-D material kan ge en väldefinierad modell för att utforska begränsad katalys.

En forskargrupp ledd av Profs. FU Qiang och BAO Xinhe från den kinesiska vetenskapsakademin har publicerat en studie i PNAS avslöjar den geometriska begränsningen och inneslutningsfältet i tvådimensionellt (2-D) utrymme mellan ett grafenöverskikt och Pt(111). Studien visar ett nytt koncept av begränsad katalys under 2D-material, som de har kallat "katalys under tak".

Forskarna valde en grafen/Pt (111) yta som en modell för att studera begränsad katalys med hjälp av beräkningar av densitetsfunktionella teorin (DFT). De visade att adsorptionen av atomer och molekyler på Pt(111)-ytan försvagas under grafen. Ett liknande resultat har hittats på Pt(110)- och Pt(100)-ytor täckta med grafen. Både den geometriska begränsningen och inneslutningsfältet som åläggs av 2D-omslaget hänförs till de observerade inneslutningsfenomenen.

Den allmänna tendensen till försvagad ytadsorption under inneslutningen av ett grafenöverskikt möjliggör genomförbar modulering av ytreaktioner genom placering av ett 2D-hölje. Konceptet "katalys under tak" kan appliceras på reaktioner mellan två motsatta 2-D väggar som interagerar med varandra genom van der Waals krafter. Konceptet hjälper till vid utformningen av högpresterande nanokatalysatorer som samverkar med 2D-materialöverdrag.

Forskargruppen demonstrerade den inneslutningsinducerade moduleringen av ytreaktivitet i en Pt-katalyserad syrereduktionsreaktion (ORR) under 2D-skydd. Det är känt att syrebindningen till Pt är relativt stark, och alla medel för att försvaga denna bindning kan användas för att främja reaktionen. När man placerar olika 2D-material som grafen och h-BN på ytan, syrebindning med Pt försvagas, vilket effektivt förbättrar ORR-aktiviteten.

Instängd katalys under 2-D-material kan appliceras på stödda nanokatalysatorer. Metallnanopartiklar kan vara inkapslade av 2D-material, bildar sålunda kärna-skal nanostrukturer. De aktiva kärnstrukturerna är väl skyddade av de yttre skalen och katalysatorstabiliteten förbättras. Vidare, katalysatoraktivitet kan förstärkas genom inneslutningen av de yttre skalen.