O NIMS e a Universidade de Hokkaido descobriram em conjunto que a transferência de prótons em reações eletroquímicas é governada pelo efeito de tunelamento quântico (QTE) sob condições específicas. Além disso, eles fizeram uma observação pela primeira vez da transição entre os regimes quântico e clássico na transferência eletroquímica de prótons por controle de potencial. Esses resultados indicaram o envolvimento de QTE na transferência eletroquímica de prótons, um assunto de um longo debate, e pode acelerar a pesquisa básica levando ao desenvolvimento de sistemas de conversão de energia eletroquímica altamente eficientes com base na mecânica quântica.

Muitos dos dispositivos e tecnologias eletrônicos de última geração presentes em nossas vidas modernas foram estabelecidos com base nos princípios fundamentais da mecânica quântica. Os efeitos quânticos nas reações eletroquímicas em células de combustível e dispositivos de energia são, Contudo, não é bem compreendido devido ao movimento complexo de elétrons e prótons impulsionados por processos de reação eletroquímica nas superfícies dos eletrodos. Como resultado, a aplicação de efeitos quânticos na conversão de energia eletroquímica não é tão bem-sucedida quanto os campos da eletrônica e da spintrônica, em que os fenômenos de superfície e interfaciais são igualmente críticos em todos esses campos. Assumindo que as reações eletroquímicas estão intimamente associadas aos efeitos quânticos, pode ser viável projetar mecanismos de conversão de energia altamente eficientes com base nesses efeitos:incluindo QTE e dispositivos que tiram vantagem de tais mecanismos.

Neste estudo, a equipe de pesquisa liderada pelo NIMS se concentrou nos mecanismos de reação de redução de oxigênio (ORR) - a reação-chave nas células de combustível - usando deutério, um isótopo de hidrogênio com uma massa diferente. Como resultado, a equipe confirmou o tunelamento de prótons através de barreiras de ativação dentro de uma pequena faixa de sobrepotencial. Além disso, a equipe descobriu que um aumento no superpotencial leva a vias de reação eletroquímica para mudar para a transferência de prótons com base na teoria semiclássica. Assim, esta equipe de pesquisa descobriu os novos processos físicos:a transição entre os regimes quântico e clássico nas reações eletroquímicas.

Esta pesquisa mostra o envolvimento de QTE na transferência de prótons durante os processos básicos de conversão de energia. Esta descoberta pode facilitar as investigações de mecanismos microscópicos de reações eletroquímicas que não são compreendidos em detalhes. Também pode estimular o desenvolvimento de tecnologia de conversão de energia eletroquímica altamente eficiente com um princípio de funcionamento baseado na mecânica quântica, capaz de operar além do regime clássico.

Este estudo foi publicado em Cartas de revisão física , um jornal da American Physical Society, em 7 de dezembro, 2018.