Jahrzehntelang ging die Forschung zur Wasserelektrolyse davon aus, dass kleine, schnell abziehende Blasen optimal für die Effizienz sind. Eine neue, in eScience veröffentlichte Studie stellt diese Annahme jedoch in Frage und zeigt, dass unter Bedingungen mit hohem Strom größere, durch Koaleszenz gebildete Blasen die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) tatsächlich verbessern können. Die Ergebnisse, die von Forschern der East China University of Science and Technology und der Southern University of Science and Technology berichtet wurden, deuten darauf hin, dass Blasenkoaleszenz als selbstreinigender und mischender Mechanismus an der Elektrodenoberfläche wirkt und die Leistung deutlich verbessert.
Die Studie, die im Juli 2026 online verfügbar ist und die DOI: 10.1016/j.esci.2025.100472 trägt, untersuchte, wie die Elektrolytzusammensetzung das Blasenverhalten und die HER-Effizienz bei der sauren und alkalischen Wasserelektrolyse beeinflusst. Mithilfe einer Drei-Elektroden-Elektrolysezelle mit einer Platinscheibenelektrode führte das Team elektrochemische Messungen, Hochgeschwindigkeitsbildgebung und numerische Simulationen durch. In Schwefelsäure koaleszierten Blasen leicht, aber die Zugabe von Perchlorsäure oder Natriumsulfat unterdrückte die Koaleszenz, was zu kleineren Blasenabgangsgrößen führte. Überraschenderweise verbesserten kleinere Blasen die Leistung nicht. Bei −40 mA verringerte die Zugabe von Perchlorsäure die Blasengröße, verursachte jedoch einen Rückgang der HER-Effizienz um etwa 20 %; bei −60 mA erreichte die Differenz etwa 30 %.
Die mechanistische Analyse ergab, dass eine gerade abgelöste Blase über der Elektrode verweilen und kontinuierlich mit an der Oberfläche verankerten Mikroblasen verschmelzen kann. Dieses späte Ablösen zieht Mikroblasen in Größen unter 10 μm weg und gibt aktive Stellen frei, bevor sie blockiert werden. Darüber hinaus erzeugt die Koaleszenz lokale Strömungen von über 1 m/s, die die stagnierende Grenzschicht stören und den Wärme- und Stofftransport verbessern. In alkalischen Medien, in denen die Koaleszenz natürlicherweise unterdrückt ist, förderte die Zugabe von hydrophoben Polystyrol-Mikropartikeln (PS) die Koaleszenz und verbesserte die Effizienz um 2–6 %.
Die Autoren betonen, dass sich die Schlüsselfrage beim Blasenmanagement von der Frage, wie man Blasen kleiner macht, hin zur Frage verschieben sollte, wie Blasen nach ihrer Entstehung interagieren. „Blasenkoaleszenz kann wie ein selbstangetriebener Reinigungs- und Mischprozess an der Elektrodenoberfläche wirken“, merkten sie an und erklärten, dass sie Mikroblasen frühzeitig entfernt, Reaktionsstellen wieder öffnet und frische Elektrolyte in Regionen bringt, in denen der Transport normalerweise langsam ist. Dies erklärt, warum größere abgehende Blasen unter Bedingungen mit hohem Strom auf eine bessere Leistung hinweisen können.
Diese Erkenntnisse bieten ein neues Designprinzip für gasentwickelnde elektrochemische Systeme. In sauren Systemen, in denen Blasen bereits leicht verschmelzen, könnten Elektroden oder Strömungsfelder so gestaltet werden, dass vorteilhafte Blasenkollisionen erhöht werden. Bei der alkalischen Wasserelektrolyse, der Meerwasserelektrolyse und Chlor-Alkali-Prozessen, bei denen die Koaleszenz oft gehemmt ist, könnten Elektrolytzusätze oder partikelgestützte Strategien helfen, vorteilhafte Verschmelzungen wiederherzustellen. Die Studie weist auch auf breitere Anwendungen in der industriellen Elektrolyse hin, wo die Entfernung von Oberflächenblasen und der Grenzflächentransport weiterhin große Einschränkungen darstellen. Indem man Koaleszenz als steuerbares Werkzeug behandelt, könnten zukünftige Geräte Energieverluste reduzieren, ohne sich allein auf Verbesserungen des Katalysators oder der Elektrodenoberfläche zu verlassen.
Die Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China, dem Shanghai Pilot Program for Basic Research, dem Special Project for Peak Carbon Dioxide Emissions-Carbon Neutrality der Shanghai Municipal Science and Technology Commission sowie der Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation finanziert.
