Текущее поколение с помощью квантового переноса протонов

Результаты исследования были опубликованы в Scientific Reports в ноябре 2018 года и возглавлялись Наото Танибатой, доктором философии, доцентом кафедры передовой керамики в NITech.

Популярные литий-ионные аккумуляторы имеют несколько преимуществ - они перезаряжаемые и имеют широкий спектр применения. Они используются в таких устройствах, как ноутбуки и сотовые телефоны, а также в гибридных и полностью электрических автомобилях. Электромобиль, являющийся жизненно важной технологией для борьбы с загрязнением окружающей среды в сельских районах, а также для создания экологически чистого и устойчивого транспорта, является важным игроком в усилиях по разрешению энергетического и экологического кризисов. Одним из недостатков лития является тот факт, что он является ограниченным ресурсом. Это не только дорого, но и его годовой объем производства (технически) ограничен (из-за процесса сушки). Учитывая возросший спрос на устройства, работающие от батарей, и особенно электромобили, необходимость поиска альтернативы литию - дешевой, а также в изобилии - становится актуальной.

Натрий-ионные аккумуляторы являются привлекательной альтернативой литий-ионным батареям по нескольким причинам. Натрий не является ограниченным ресурсом - он в изобилии содержится в земной коре, а также в морской воде. Кроме того, компоненты на основе натрия могут значительно ускорить время зарядки при соответствующей конструкции кристаллической структуры. Однако натрий нельзя просто заменить литием, используемым в современных материалах для батарей, поскольку он имеет больший размер ионов и немного другой химический состав. Поэтому исследователям предлагается найти лучший материал для ионно-натриевой батареи среди огромного числа кандидатов методом проб и ошибок.

NIMS и Университет Хоккайдо совместно обнаружили, что перенос протонов в электрохимических реакциях регулируется эффектом квантового туннелирования (QTE) при определенных условиях. Кроме того, они впервые в истории наблюдали переход между квантовым и классическим режимами при электрохимическом переносе протонов путем управления потенциалом. Эти результаты указывают на участие QTE в электрохимическом переносе протонов, что является предметом длительных дебатов, и могут ускорить фундаментальные исследования, ведущие к разработке высокоэффективных систем электрохимического преобразования энергии на основе квантовой механики.

Многие из самых современных электронных устройств и технологий, которые воплотили в себе современную жизнь, были созданы на основе фундаментальных принципов квантовой механики. Однако квантовые эффекты в электрохимических реакциях в топливных элементах и энергетических устройствах недостаточно изучены из-за сложного движения электронов и протонов, обусловленного процессами электрохимических реакций на поверхностях электродов. В результате применение квантовых эффектов в электрохимическом преобразовании энергии не столь успешно, как в областях электроники и спинтроники, поверхностные и межфазные явления которых одинаково важны во всех этих областях. Предполагая, что электрохимические реакции тесно связаны с квантовыми эффектами, может оказаться возможным разработать высокоэффективные механизмы преобразования энергии на основе этих эффектов, включая QTE, и устройства, которые используют преимущества таких механизмов.

В этом исследовании исследовательская группа под руководством NIMS сосредоточилась на механизмах реакции восстановления кислорода (ORR) - ключевой реакции в топливных элементах - с использованием дейтерия, изотопа водорода, имеющего другую массу. В результате команда подтвердила туннелирование протонов через активационные барьеры в пределах небольшого диапазона перенапряжений. Кроме того, команда обнаружила, что увеличение перенапряжения приводит к переходу электрохимических реакций на перенос протонов на основе полуклассической теории. Таким образом, эта исследовательская группа обнаружила новые физические процессы: переход между квантовым и классическим режимами в электрохимических реакциях.

Это исследование показывает участие QTE в переносе протонов во время основных процессов преобразования энергии. Это открытие может облегчить исследования микроскопических механизмов электрохимических реакций, которые не изучены в деталях. Это также может стимулировать разработку высокоэффективной технологии электрохимического преобразования энергии с принципом работы, основанным на квантовой механике, способной работать за пределами классического режима.