NIMS en Hokkaido University ontdekten samen dat protonoverdracht in elektrochemische reacties wordt bepaald door het kwantumtunneleffect (QTE) onder de specifieke omstandigheden. In aanvulling, ze maakten een allereerste observatie van de overgang tussen de kwantum- en klassieke regimes in elektrochemische protonoverdracht door potentiaal te regelen. Deze resultaten wezen op de betrokkenheid van QTE bij elektrochemische protonoverdracht, onderwerp van een langdurig debat, en kan fundamenteel onderzoek versnellen dat leidt tot de ontwikkeling van zeer efficiënte elektrochemische energieconversiesystemen op basis van kwantummechanica.

Veel van de ultramoderne elektronische apparaten en technologieën die in ons moderne leven aanwezig zijn, zijn tot stand gekomen op basis van de fundamentele principes van de kwantummechanica. Kwantumeffecten in elektrochemische reacties in brandstofcellen en energieapparaten zijn, echter, niet goed begrepen vanwege de complexe beweging van elektronen en protonen aangedreven door elektrochemische reactieprocessen op de oppervlakken van elektroden. Als resultaat, toepassing van kwantumeffecten bij elektrochemische energieconversie is niet zo succesvol als de velden van elektronica en spintronica, waarin oppervlakte- en grensvlakfenomenen op al deze gebieden even kritisch zijn. Ervan uitgaande dat elektrochemische reacties nauw verband houden met kwantumeffecten, het kan haalbaar zijn om zeer efficiënte energieconversiemechanismen te ontwerpen op basis van deze effecten:inclusief QTE en apparaten die profiteren van dergelijke mechanismen.

In dit onderzoek, het door NIMS geleide onderzoeksteam richtte zich op zuurstofreductiereactie (ORR) -mechanismen - de belangrijkste reactie in brandstofcellen - met behulp van deuterium, een isotoop van waterstof met een andere massa. Als resultaat, het team bevestigde protontunneling door activeringsbarrières binnen een klein overpotentiaalbereik. Verder, het team ontdekte dat een toename van overpotentiaal leidt tot elektrochemische reactieroutes om te veranderen in protonoverdracht op basis van de semiklassieke theorie. Dus, dit onderzoeksteam ontdekte de nieuwe fysische processen:de overgang tussen de kwantum- en klassieke regimes in elektrochemische reacties.

Dit onderzoek toont de betrokkenheid van QTE bij protonenoverdracht tijdens de basisenergieconversieprocessen. Deze ontdekking kan het onderzoek naar microscopische mechanismen van elektrochemische reacties, die niet in detail worden begrepen, vergemakkelijken. Het kan ook de ontwikkeling stimuleren van zeer efficiënte elektrochemische energieconversietechnologie met een werkingsprincipe gebaseerd op kwantummechanica, buiten het klassieke regime kunnen opereren.

Deze studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , een tijdschrift van de American Physical Society, op 7 dec. 2018.