通過量子質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電流

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移受特定條件下的量子隧道效應(yīng)(QTE)控制。此外，他們首次通過控制電位來觀察電化學(xué)質(zhì)子轉(zhuǎn)移中量子和經(jīng)典體系之間的轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果可以推進(jìn)基礎(chǔ)研究，從而開發(fā)出基于量子力學(xué)的高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

NIMS和北海道大學(xué)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移受特定條件下的量子隧道效應(yīng)(QTE)控制。此外，他們首次通過控制電位來觀察電化學(xué)質(zhì)子轉(zhuǎn)移中量子和經(jīng)典體系之間的轉(zhuǎn)變。這些結(jié)果表明QTE參與電化學(xué)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，這是一個長期爭論的主題，并可能加速基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致基于量子力學(xué)的高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展。

許多已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)代生活的最先進(jìn)的電子設(shè)備和技術(shù)是基于量子力學(xué)的基本原理而建立的。然而，由于電極表面上的電化學(xué)反應(yīng)過程驅(qū)動的電子和質(zhì)子的復(fù)雜運動，燃料電池和能量裝置中的電化學(xué)反應(yīng)中的量子效應(yīng)尚未被充分理解。結(jié)果，量子效應(yīng)在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用不如電子和自旋電子學(xué)領(lǐng)域那樣成功，表面和界面現(xiàn)象在所有這些領(lǐng)域中同樣重要。假設(shè)電化學(xué)反應(yīng)與量子效應(yīng)密切相關(guān)，基于這些效應(yīng)設(shè)計高效能量轉(zhuǎn)換機(jī)制可能是可行的：包括QTE，

在這項研究中，NIMS領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊專注于氧還原反應(yīng)(ORR)機(jī)制 - 燃料電池中的關(guān)鍵反應(yīng) - 使用氘，一種具有不同質(zhì)量的氫同位素。因此，該團(tuán)隊確認(rèn)質(zhì)子在一個小的過電位范圍內(nèi)通過激活障礙進(jìn)行隧穿。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，基于半經(jīng)典理論，過電位的增加導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子轉(zhuǎn)移。因此，這個研究小組發(fā)現(xiàn)了新的物理過程：電化學(xué)反應(yīng)中量子和經(jīng)典體系之間的過渡。

該研究表明QTE在基本能量轉(zhuǎn)換過程中參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移。該發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)對電化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制的研究，這些機(jī)理未被詳細(xì)理解。它還可以利用基于量子力學(xué)的工作原理來刺激高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，該工作原理能夠超越傳統(tǒng)方案。