Il NIMS e l'Università di Hokkaido hanno scoperto insieme che il trasferimento di protoni nelle reazioni elettrochimiche è governato dall'effetto tunnel quantistico (QTE) in condizioni specifiche. Inoltre, hanno fatto una prima osservazione in assoluto della transizione tra i regimi quantistico e classico nel trasferimento elettrochimico di protoni controllando il potenziale. Questi risultati hanno indicato il coinvolgimento di QTE nel trasferimento elettrochimico di protoni, oggetto di un lungo dibattito, e può accelerare la ricerca di base che porti allo sviluppo di sistemi di conversione dell'energia elettrochimica altamente efficienti basati sulla meccanica quantistica.

Molti dei dispositivi elettronici e delle tecnologie all'avanguardia presenti nelle nostre vite moderne sono stati stabiliti sulla base dei principi fondamentali della meccanica quantistica. Gli effetti quantistici nelle reazioni elettrochimiche nelle celle a combustibile e nei dispositivi energetici sono, però, non ben compreso a causa del complesso movimento di elettroni e protoni guidati da processi di reazione elettrochimica sulle superfici degli elettrodi. Di conseguenza, l'applicazione degli effetti quantistici nella conversione dell'energia elettrochimica non ha lo stesso successo dei campi dell'elettronica e della spintronica, in cui i fenomeni di superficie e interfacciali sono ugualmente critici in tutti questi campi. Supponendo che le reazioni elettrochimiche siano strettamente associate agli effetti quantistici, può essere possibile progettare meccanismi di conversione dell'energia altamente efficienti basati su questi effetti:inclusi QTE e dispositivi che sfruttano tali meccanismi.

In questo studio, il team di ricerca guidato dal NIMS si è concentrato sui meccanismi della reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR), la reazione chiave nelle celle a combustibile, utilizzando deuterio, un isotopo dell'idrogeno avente massa diversa. Di conseguenza, il team ha confermato il tunneling protonico attraverso barriere di attivazione entro un piccolo intervallo di sovratensione. Per di più, il team ha scoperto che un aumento del potenziale eccessivo porta a percorsi di reazione elettrochimica per passare al trasferimento di protoni in base alla teoria semiclassica. Così, questo team di ricerca ha scoperto i nuovi processi fisici:la transizione tra il regime quantistico e quello classico nelle reazioni elettrochimiche.

Questa ricerca mostra il coinvolgimento di QTE nel trasferimento di protoni durante i processi di conversione dell'energia di base. Questa scoperta può facilitare le indagini sui meccanismi microscopici delle reazioni elettrochimiche che non sono compresi in dettaglio. Può anche stimolare lo sviluppo di una tecnologia di conversione dell'energia elettrochimica altamente efficiente con un principio di funzionamento basato sulla meccanica quantistica, capace di operare oltre il regime classico.

Questo studio è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica , una rivista dell'American Physical Society, il 7 dicembre 2018.