Dynamik von Sauerstoffblasen an Mikroelektroden
Die Dynamik von Sauerstoffblasen an Elektroden bei der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist ein wichtiges Forschungsfeld, da sie die Effizienz der Herstellung von Wasserstoff beeinflusst. Bei der Elektrolyse von Wasser wird Strom eingesetzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Dabei bilden sich an den Elektroden Gasblasen, die den Herstellungsprozess stören können, da sie die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt verringern. Im Projekt "Dynamik von Sauerstoffblasen an den Mikroelektroden" wird von der Forschungsgruppe um Kerstin Eckert am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf erforscht, wie sich die Blasen während der Elektrolyse bilden und wieder lösen.
Schematische Darstellung der an einer wachsenden O₂-Blase wirkenden Kräfte
Projektvorstellung
von A.Babich, G.Mutschke, A.Bashkatov, H.Rox, M.Eftekhari, X.Yang, K.Eckert
In diesem Projekt werden die Mechanismen untersucht, die das Wachstum und die Ablösung von Sauerstoffblasen an Mikroelektroden in einem sauren Elektrolyt steuern. Hierbei wird ein besonderer Fokus auf ein neu entdecktes Regime gelegt. Dabei kommt es zu einem abrupten Umschalten zwischen Regimen mit hoher bzw. sehr geringer Stromdichte. Wir konnten zeigen [1], dass die Stromdichte mit der Mikrokonvektion um die Blase korreliert und es zu einem permanenten Wechsel zwischen der schnellen thermokapillaren und der langsameren solutokapillaren Konvektion kommt. Ursache hierfür sind die Wechselwirkungen von Temperatur- und Konzentrationsgradienten entlang der Blasenoberfläche, die lokale Marangoni-Konvektionen antreiben und das Blasenverhalten modulieren. Ziel ist es, das Zusammenspiel dieser konvektiven Strömungen aufzuklären, um Optimierungsansätze für effizientere Elektrolyse-Zellen zu finden.
Schlierenaufnahmen einer wachsenden O₂-Blase (sg: slow growth, fg: fast growth mode) [1]
Wie wird es erforscht
Die Untersuchung erfolgt mittels potentiostatischer Elektrolyse auf Platin-Mikroelektroden bei variierenden Potentialen und Schwefelsäure-Konzentrationen, wobei Hochgeschwindigkeits-Shadowgraphie zur quantitativen Bestimmung von Blasenradius, Kontaktwinkel und Kontaktlinienbewegung eingesetzt wird. Ergänzend wird Mikro-Particle Tracking Velocimetry (µ-PTV) zur Aufzeichnung der entstehenden Marangoni-Wirbelstrukturen und Strömungsgeschwindigkeiten an der Blasenoberfläche angewandt, während Schlieren-Imaging präzise Refraktionsindex- und Temperaturfeldmessungen am Blasenfuß und entlang der Gas-Flüssig-Grenzfläche ermöglicht [2]. Darüber hinaus wurden Parabelflugexperimente unter Mikrogravitation während der 39. DLR-Kampagne durchgeführt, um den Einfluss fehlender Auftriebskräfte auf die Blasendynamik isoliert zu untersuchen.
Was ist der Nutzen für die Gesellschaft
Ein vertieftes Verständnis der thermischen und solutalen Marangoni-Konvektion an der Gas-Flüssig-Grenzfläche ermöglicht eine gezielte Steuerung der Blasenablösung und minimiert die Blockade aktiver katalytischer Stellen an der Elektroden infolge der Blasenanhaftung. Dadurch können die blaseninduzierten Überspannungen gesenkt werden, wodurch die Energieeffizienz der Wasserstoffproduktion gesteigert wird, was eine Reduzierung der Betriebskosten ermöglicht. Auf Systemebene ermöglichen optimierte Massenübertragungsraten höhere Stromdichten und stabilere Betriebsfenster der Elektrolyseure.
[1] A Babich et al., Solutal Marangoni convection at growing oxygen bubbles during water electrolysis, Phys. Review Research 7 (2025)
[2] A Babich et al., Oxygen versus hydrogen bubble dynamics during water electrolysis at micro-electrodes, PRX Energy 4 (2025)