NIMS och Hokkaido University upptäckte gemensamt att protonöverföring i elektrokemiska reaktioner styrs av kvanttunneleffekten (QTE) under de specifika förhållandena. Dessutom, de gjorde en första någonsin observation av övergången mellan kvant- och klassiska regimer inom elektrokemisk protonöverföring genom att kontrollera potential. Dessa resultat indikerade QTE:s inblandning i elektrokemisk protonöverföring, föremål för en långvarig debatt, och kan påskynda grundforskning som leder till utvecklingen av mycket effektiva elektrokemiska energiomvandlingssystem baserade på kvantmekanik.

Många av de toppmoderna elektroniska enheterna och teknikerna som finns i våra moderna liv etablerades baserat på de grundläggande principerna för kvantmekanik. Kvanteffekter vid elektrokemiska reaktioner i bränsleceller och energianordningar är, dock, inte väl förstått på grund av den komplexa rörelsen av elektroner och protoner som drivs av elektrokemiska reaktionsprocesser på elektrodernas ytor. Som ett resultat, tillämpning av kvanteffekter vid elektrokemisk energiomvandling är inte lika framgångsrik som elektronik och spintronik, där yt- och gränssnittsfenomen är lika kritiska inom alla dessa områden. Om vi ​​antar att elektrokemiska reaktioner är nära förknippade med kvanteffekter, det kan vara möjligt att utforma mycket effektiva energiomvandlingsmekanismer baserade på dessa effekter:inklusive QTE och enheter som utnyttjar sådana mekanismer.

I den här studien, det NIMS-ledda forskargruppen fokuserade på syrereduktionsreaktionsmekanismer (ORR)-nyckelreaktionen i bränsleceller-med hjälp av deuterium, en isotop av väte med en annan massa. Som ett resultat, laget bekräftade protontunnel genom aktiveringsbarriärer inom ett litet överpotentialintervall. Vidare, laget fann att en ökning av överpotential leder till elektrokemiska reaktionsvägar för att byta till protonöverföring baserat på den semiklassiska teorin. Således, detta forskargrupp upptäckte de nya fysiska processerna:övergången mellan kvant- och klassiska regimer i elektrokemiska reaktioner.

Denna forskning visar QTE:s inblandning i protonöverföring under de grundläggande energiomvandlingsprocesserna. Denna upptäckt kan underlätta undersökningar av mikroskopiska mekanismer för elektrokemiska reaktioner som inte förstås i detalj. Det kan också stimulera utvecklingen av mycket effektiv elektrokemisk energiomvandlingsteknik med en arbetsprincip baserad på kvantmekanik, kan fungera bortom den klassiska regimen.

Denna studie publicerades i Fysiska granskningsbrev , en tidskrift för American Physical Society, den 7 december, 2018.