Le NIMS et l'Université d'Hokkaido ont découvert conjointement que le transfert de protons dans les réactions électrochimiques est régi par l'effet tunnel quantique (QTE) dans des conditions spécifiques. En outre, ils ont fait une première observation de la transition entre les régimes quantique et classique dans le transfert électrochimique de protons en contrôlant le potentiel. Ces résultats ont indiqué l'implication de QTE dans le transfert électrochimique de protons, objet d'un débat de longue haleine, et peut accélérer la recherche fondamentale menant au développement de systèmes de conversion d'énergie électrochimique hautement efficaces basés sur la mécanique quantique.

De nombreux dispositifs et technologies électroniques de pointe présents dans nos vies modernes ont été créés sur la base des principes fondamentaux de la mécanique quantique. Les effets quantiques dans les réactions électrochimiques dans les piles à combustible et les dispositifs énergétiques sont, cependant, pas bien compris en raison du mouvement complexe des électrons et des protons entraînés par des processus de réaction électrochimique sur les surfaces des électrodes. Par conséquent, l'application des effets quantiques dans la conversion d'énergie électrochimique n'est pas aussi réussie que les domaines de l'électronique et de la spintronique, dans lequel les phénomènes de surface et interfaciaux sont également critiques dans tous ces domaines. En supposant que les réactions électrochimiques sont étroitement associées aux effets quantiques, il peut être possible de concevoir des mécanismes de conversion d'énergie hautement efficaces basés sur ces effets :y compris QTE et des dispositifs qui tirent parti de ces mécanismes.

Dans cette étude, l'équipe de recherche dirigée par le NIMS s'est concentrée sur les mécanismes de réaction de réduction de l'oxygène (ORR) - la réaction clé dans les piles à combustible - en utilisant du deutérium, un isotope de l'hydrogène ayant une masse différente. Par conséquent, l'équipe a confirmé l'effet tunnel des protons à travers des barrières d'activation dans une petite plage de surtension. Par ailleurs, l'équipe a découvert qu'une augmentation de la surtension conduit à des voies de réaction électrochimique pour passer au transfert de protons sur la base de la théorie semi-classique. Ainsi, cette équipe de recherche a découvert les nouveaux processus physiques :la transition entre les régimes quantique et classique dans les réactions électrochimiques.

Cette recherche montre l'implication de QTE dans le transfert de protons au cours des processus de conversion d'énergie de base. Cette découverte peut faciliter les recherches sur les mécanismes microscopiques des réactions électrochimiques qui ne sont pas compris en détail. Il peut également stimuler le développement d'une technologie de conversion d'énergie électrochimique hautement efficace avec un principe de fonctionnement basé sur la mécanique quantique, capable de fonctionner au-delà du régime classique.

Cette étude a été publiée dans Lettres d'examen physique , un journal de l'American Physical Society, le 7 décembre 2018.