Nuværende generation via kvanteprotonoverførsel

NIMS og Hokkaido University opdagede i fællesskab, at protonoverførsel i elektrokemiske reaktioner styres af kvantetunneleffekten (QTE) under de specifikke betingelser. Ud over, de gjorde en første nogensinde observation af overgangen mellem kvante- og klassiske regimer inden for elektrokemisk protonoverførsel ved at kontrollere potentialet. Disse resultater indikerede QTE's deltagelse i elektrokemisk protonoverførsel, genstand for en langvarig debat, og kan fremskynde grundforskning, der fører til udviklingen af ​​meget effektive elektrokemiske energiomdannelsessystemer baseret på kvantemekanik.

Mange af de state-of-the-art elektroniske apparater og teknologier, der findes i vores moderne liv, blev etableret baseret på de grundlæggende principper for kvantemekanik. Kvanteffekter i elektrokemiske reaktioner i brændselsceller og energienheder er, imidlertid, ikke godt forstået på grund af den komplekse bevægelse af elektroner og protoner drevet af elektrokemiske reaktionsprocesser på overflader af elektroder. Som resultat, anvendelse af kvanteeffekter i elektrokemisk energiomsætning er ikke så vellykket som elektronik og spintronik, hvor overflade- og grænsefladefænomener er lige kritiske inden for alle disse felter. Forudsat at elektrokemiske reaktioner er tæt forbundet med kvanteeffekter, det kan være muligt at designe meget effektive energiomdannelsesmekanismer baseret på disse effekter:herunder QTE og enheder, der udnytter sådanne mekanismer.

I dette studie, det NIMS-ledede forskerhold fokuserede på iltreduktionsreaktion (ORR) mekanismer-nøglereaktionen i brændselsceller-ved hjælp af deuterium, en isotop af brint med en anden masse. Som resultat, teamet bekræftede protontunnel gennem aktiveringsbarrierer inden for et lille overpotentielt område. Desuden, teamet fandt ud af, at en stigning i overpotentiale fører til elektrokemiske reaktionsveje til at skifte til protonoverførsel baseret på den semiklassiske teori. Dermed, dette forskerhold opdagede de nye fysiske processer:overgangen mellem kvante- og klassiske regimer i elektrokemiske reaktioner.

Denne forskning viser QTE's involvering i protonoverførsel under de grundlæggende energiomdannelsesprocesser. Denne opdagelse kan lette undersøgelser af mikroskopiske mekanismer for elektrokemiske reaktioner, som ikke er detaljeret forstået. Det kan også stimulere udviklingen af ​​meget effektiv elektrokemisk energiomdannelsesteknologi med et arbejdsprincip baseret på kvantemekanik, i stand til at fungere ud over det klassiske regime.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , et tidsskrift for American Physical Society, den 7. december, 2018.