通过量子质子转移产生电流

通过量子质子转移产生电流

NIMS和北海道大学共同发现，在特定条件下，电化学反应中的质子转移受量子隧穿效应(QTE)的控制。此外，他们还首次通过控制势来观察电化学质子转移中的量子跃迁和经典跃迁。这些结果表明QTE参与了电化学质子转移，这是一个长期存在争议的课题，可能会加速基础研究，导致基于量子力学的高效电化学能量转换系统的发展。

许多已经实现现代生活的最先进的电子设备和技术都是基于量子力学的基本原理建立起来的。然而，由于电极表面的电化学反应过程所驱动的电子和质子的复杂运动，燃料电池和能量器件中的电化学反应中的量子效应还没有得到很好的理解。因此，量子效应在电化学能量转换中的应用并不像电子学和自旋电子学领域那样成功，这些领域的表面和界面现象在所有这些领域中都是同等重要的。假设电化学反应与量子效应密切相关，基于这些效应设计高效的能量转换机制可能是可行的:包括QTE，以及利用这些机制的器件。

在这项研究中，nims领导的研究小组重点研究了氧还原反应(ORR)机制——燃料电池中的关键反应——使用氘，一种质量不同的氢同位素。结果，研究小组证实了质子隧穿是在一个小的过电位范围内通过激活屏障进行的。此外，研究小组还发现，根据半经典理论，过电位的增加会导致电化学反应途径转变为质子转移。因此，这个研究小组发现了新的物理过程:电化学反应中量子和经典状态之间的过渡。

本研究表明QTE参与质子转移的基本能量转换过程。这一发现可能有助于对电化学反应的微观机理的研究，这些机理目前还不清楚。它还可能促进基于量子力学的工作原理、能够超越经典状态的高效电化学能量转换技术的发展。