NIMS y la Universidad de Hokkaido descubrieron conjuntamente que la transferencia de protones en reacciones electroquímicas se rige por el efecto de túnel cuántico (QTE) en condiciones específicas. Además, hicieron una primera observación de la transición entre los regímenes cuántico y clásico en la transferencia de protones electroquímicos controlando el potencial. Estos resultados indicaron la participación de QTE en la transferencia de protones electroquímicos, un tema de un prolongado debate, y puede acelerar la investigación básica que conduzca al desarrollo de sistemas de conversión de energía electroquímica altamente eficientes basados ​​en la mecánica cuántica.

Muchos de los dispositivos y tecnologías electrónicos de vanguardia presentes en nuestras vidas modernas se establecieron sobre la base de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Los efectos cuánticos en reacciones electroquímicas en pilas de combustible y dispositivos de energía son, sin embargo, no se comprende bien debido al complejo movimiento de electrones y protones impulsado por procesos de reacción electroquímica en las superficies de los electrodos. Como resultado, La aplicación de efectos cuánticos en la conversión de energía electroquímica no es tan exitosa como los campos de la electrónica y la espintrónica. en el que los fenómenos superficiales e interfaciales son igualmente críticos en todos estos campos. Suponiendo que las reacciones electroquímicas están estrechamente asociadas con los efectos cuánticos, Puede ser factible diseñar mecanismos de conversión de energía altamente eficientes basados ​​en estos efectos:incluyendo QTE y dispositivos que aprovechen dichos mecanismos.

En este estudio, el equipo de investigación dirigido por NIMS se centró en los mecanismos de reacción de reducción de oxígeno (ORR), la reacción clave en las celdas de combustible, utilizando deuterio, un isótopo de hidrógeno que tiene una masa diferente. Como resultado, el equipo confirmó la formación de túneles de protones a través de las barreras de activación dentro de un pequeño rango de sobrepotencial. Es más, El equipo descubrió que un aumento en el sobrepotencial conduce a que las vías de reacción electroquímica cambien a la transferencia de protones según la teoría semiclásica. Por lo tanto, este equipo de investigación descubrió los nuevos procesos físicos:la transición entre los regímenes cuántico y clásico en las reacciones electroquímicas.

Esta investigación muestra la participación de QTE en la transferencia de protones durante los procesos básicos de conversión de energía. Este descubrimiento puede facilitar las investigaciones de los mecanismos microscópicos de las reacciones electroquímicas que no se comprenden en detalle. También puede estimular el desarrollo de tecnología de conversión de energía electroquímica altamente eficiente con un principio de funcionamiento basado en la mecánica cuántica. capaz de operar más allá del régimen clásico.

Este estudio fue publicado en Cartas de revisión física , una revista de la Sociedad Estadounidense de Física, el 7 de diciembre 2018.