Les petits espaces dans les nanoréacteurs peuvent avoir de grandes implications pour la chimie. La nature chimique des molécules et des réactions au sein des nanoespaces peut être considérablement modifiée en raison de l'effet de nanoconfinement. Comprendre les principes fondamentaux de la catalyse confinée est devenu un sujet important en catalyse hétérogène. Les nanoréacteurs 2D formés sous des matériaux 2D peuvent fournir un modèle bien défini pour explorer la catalyse confinée.

Un groupe de recherche dirigé par les Profs. FU Qiang et BAO Xinhe de l'Académie chinoise des sciences ont publié une étude en PNAS révélant la contrainte géométrique et le champ de confinement dans l'espace bidimensionnel (2-D) entre une surcouche de graphène et Pt(111). L'étude démontre un nouveau concept de catalyse confinée sous matériaux 2D, qu'ils ont nommé « catalyse sous couverture ».

Les scientifiques ont choisi une surface graphène/Pt (111) comme modèle pour étudier la catalyse confinée à l'aide de calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Ils ont montré que l'adsorption des atomes et des molécules à la surface du Pt(111) est affaiblie sous le graphène. Un résultat similaire a été trouvé sur des surfaces Pt(110) et Pt(100) recouvertes de graphène. La contrainte géométrique et le champ de confinement imposés par la couverture 2D sont attribués aux phénomènes de confinement observés.

La tendance générale à l'affaiblissement de l'adsorption de surface sous le confinement d'une surcouche de graphène permet une modulation possible des réactions de surface par le placement d'une couverture 2-D. Le concept de "catalyse sous couverture" peut être appliqué aux réactions entre deux parois 2-D opposées interagissant l'une avec l'autre par les forces de van der Waals. Le concept aide à la conception de nanocatalyseurs haute performance interfacés avec des surcouches de matériaux 2D.

Le groupe de recherche a démontré la modulation induite par le confinement de la réactivité de surface dans une réaction de réduction de l'oxygène (ORR) catalysée par le Pt sous des couvertures 2D. Il est connu que la liaison de l'oxygène au Pt est relativement forte, et tous les moyens d'affaiblir cette liaison peuvent être utilisés pour favoriser la réaction. Lorsque vous placez différents matériaux 2D tels que le graphène et le h-BN sur la surface, la liaison de l'oxygène avec le Pt s'affaiblit, améliorant ainsi efficacement l'activité de l'ORR.

La catalyse confinée sous des matériaux 2D peut être appliquée aux nanocatalyseurs pris en charge. Les nanoparticules métalliques peuvent être encapsulées par des matériaux 2-D, formant ainsi des nanostructures cœur-coquille. Les structures de noyau actives sont bien protégées par les enveloppes externes et la stabilité du catalyseur est améliorée. Par ailleurs, l'activité du catalyseur peut être renforcée par le confinement des enveloppes externes.