NIMSら,電気化学的プロトン移動における量子-古典転移を確認

物質・材料研究機構(NIMS)は,北海道大学との共同研究で,電気化学反応におけるプロトン移動が特定の条件下では,量子トンネル効果 (QTE) に支配されていることを発見した。さらに,この量子的過程は,電位によって半古典的過程に切り替わることから,電気化学的プロトン移動における量子-古典転移という現象が今回初めて観測された(ニュースリリース)。

現代の生活を支える電子機器や最先端技術の多くは,量子力学を基盤原理としている。しかし,燃料電池などエネルギーデバイスに用いられる電気化学反応における量子効果は,それらが電子とプロトンが複雑に電極表面で移動する反応過程であるため,あまり理解が進んでいない。

このため,エレクトロニクスやスピントロニクスなど同じ表面・界面で起こる現象が鍵となる分野と比較して,電気化学的エネルギー変換では量子効果を十分活用しきれていないのが現状。もし,電気化学反応に量子効果が積極的に関係しているのであれば,QTEなどを利用した高効率なエネルギー変換機構や,それを基盤とするデバイスを設計できる可能性がある。

今回,研究グループは,電気を生成する装置である燃料電池の鍵である酸素還元反応 (ORR) の反応機構を,通常の水素と質量の異なる重水素を用いて解析した。その結果,反応の活性化の鍵を握る過電圧の小さな領域では,特定の条件においてプロトンがQTEによって活性化障壁を透過することで反応を進行させ,電流を生成していることが確認された。

また,過電圧を大きくすると,半古典的理論に従ってプロトンが活性化障壁を越えて移動する反応径路に転移することがわかった。このことから,電気化学反応における量子-古典転移現象という新しい物理過程を発見した。

基本的なエネルギー変換過程におけるプロトン移動にQTEが寄与していることが示されたことで,いまだ十分理解されていない電気化学反応の微視的機構を,この研究を足がかりに明らかにすることと併せ,従来の古典的な制約条件に縛られずに,量子力学を指導原理とする高効率な電気化学的エネルギー変換を可能とする技術が開拓されることが期待されるとしている。

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