Magnetoelektrochemie

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Die Magnetoelektrochemie ist ein Forschungsgebiet, in dem die Auswirkungen von Magnetfeldern auf elektrochemische Prozesse untersucht werden. Der wichtigste Teilbereich ist die Magnetoelektrolyse, die Anwendung von Magnetfeldern bei der Elektrolyse.[1] Mögliche Anwendungen der Effekte sind verbesserte Verfahren in der Galvanotechnik oder der Wasserelektrolyse[2]. Die Magnetoelektrochemie als Kombination von Elektrochemie und Magnetfeldern hat auch Überschneidungen mit der Magnetochemie, vor allem aber mit der Magnetohydrodynamik. Die wichtigste Auswirkung des Magnetfeldes auf die elektrochemischen Prozesse betrifft nämlich die Bewegung der Ionen in der Lösung.[3]

Effekte des Magnetfeldes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Stromfluss bewegen sich die gelösten Ionen (Kationen und Anionen) durch den Elektrolyten. Ein Magnetfeld führt zu einer Kraft (der Lorentzkraft im engeren Sinne) auf die bewegten Ladungsträger. Die insgesamt auf ein mit der Geschwindigkeit wanderndes Ion wirkende Kraft ist die Lorentzkraft im weiteren Sinne:

,

wobei die Ladung q des Ions durch seine Ladungszahl z und die Elementarladung e gegeben ist: . Demnach ist der Betrag der Kraft dem Magnetfeld oder genauer der zur Stromrichtung senkrechten Komponente des Feldes proportional. Durch die zusätzliche Verschiebung der Ladungen entsteht eine Spannung, dies ist der Hall-Effekt. Die durch das Magnetfeld hervorgerufene Bewegungskomponente der Ionen senkrecht zur Stromrichtung und zum Magnetfeld gemäß der Drei-Finger-Regel führt zu einer Konvektion des Elektrolyten parallel zur Elektrodenoberfläche. Diese Umwälzung der Lösung führt zu einer Verkleinerung der Diffusionsschicht und ermöglicht daher bei gleichen Spannungen größere Stromdichten.[3] Die Grenzstromdichte ist dabei proportional zu mit der Elektrolytkonzentration c.[1][4]

Die durch das Magnetfeld hervorgerufenen Konvektionsströmungen im Elektrolyten sind vergleichbar mit denen, die durch Dichteunterschiede oder durch sanftes Rühren hervorgerufen werden.[3]  Sie können die Form dendritischer Abscheidungen deutlich verändern.[5] In einem viskosen Elektrolyten treten sie nicht auf.[3]

Mögliche Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Magnetoelektrolyse verspricht im Vergleich zur Elektrolyse ohne zusätzliches Magnetfeld einen verbesserten ionischen Transport und damit höhere Stromdichten und größere Abscheidungsgeschwindigkeiten.[4] Auch die Herstellung strukturierter Oberflächen ist möglich,[6] sowie eine Verbesserung der Abscheidung bei komplexen Geometrien, z.B. durch das Auffüllen von Vertiefungen.[7][8]

Forschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Magnetoelektrolyse wird erforscht z.B. in Deutschland in Bochum[9], Dresden[10] und Saarbrücken[7][8], in Europa insbesondere auch in Dublin[5].

Historisches[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten Experimente zur Magnetoelektrochemie wurden – allerdings ohne schlüssiges Ergebnis – von Michael Faraday durchgeführt.[11] Erste Veröffentlichungen zu Messungen des Hall-Effekts in Elektrolyten erfolgten ab 1896 und in den folgenden beiden Jahrzehnten.[11] Die Experimente litten aber unter verschiedenen Schwierigkeiten, so dass zuverlässige Bestimmungen erst später möglich waren.[11] Ab dem Jahr 1974 begann eine umfangreiche Forschungstätigkeit zur Magnetoelektrolyse.[1][11]

Alternativen zur Magnetoelektrochemie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auch durch kräftiges Rühren kann die Geschwindigkeit einer elektrolytischen Metallabscheidung sehr stark erhöht werden. In vielen Fällen ist dies einfacher oder effektiver als die Anwendung eines starken Magnetfeldes. Durch geeignete Bedingungen wie eine hohe Stromdichte kann durch eine gleichzeitige Wasserstoffentwicklung eine Gasblasenrührung erreicht werden. Verwendet man eine Pumpe und geeignete Düsen, kann man wie bei der Magnetoelektrolyse die Abscheidung gezielt an bestimmten Stellen verstärken. Auch die Anordnung und Form der Gegenelektrode kann dazu dienen, die Stromdichte gezielt lokal zu variieren; dies wird z. B. auch beim umgekehrten Fall, der Auflösung beim elektrochemischen Senken, ausgenutzt. Ferner kann durch eine isolierende Beschichtung, z. B. durch Abkleben, die Abscheidung dort verhindert werden.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Sascha Mühlenhoff: Analyse konvektiver Transportprozesse während der Magnetoelektrolyse. Dissertation der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dresden Juli 2012, DNB 1067732519, urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-91957.
  2. Ming-Yuan Lin, Lih-Wu Hourng, Chan-Wei Kuo: The effect of magnetic force on hydrogen production efficiency in water electrolysis. 10th International Conference on Clean Energy 2010. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 37, Nr. 2. Elsevier, Januar 2012, ISSN 0360-3199, S. 1311–1320, doi:10.1016/j.ijhydene.2011.10.024 (englisch): “as a magnetic field is added, the electrolysis efficiency is enhanced”
  3. a b c d J. Michael D. Coey: Magnetoelectrochemistry. In: European Physical Society, EDP Sciences (Hrsg.): Europhysics News. Magnetism. Band 34, Nr. 6, November 2003, ISSN 0531-7479, S. 246–248, doi:10.1051/epn:2003615 (englisch, europhysicsnews.org [PDF; 513 kB; abgerufen am 30. November 2016] gute einführende Übersichtsarbeit): “At present it seems that all the various effects of magnetic fields in electrochemistry are somehow related to mass transport.”
  4. a b R.A. Tacken, Leonard J.J. Janssen: Applications of magnetoelectrolysis. Reviews of Applied Electrochemistry 38. In: Journal of Applied Electrochemistry. Band 25, Nr. 1. Springer, 1995, ISSN 1572-8838, S. 1–5, doi:10.1007/BF00251257 (englisch, tue.nl [PDF; 549 kB; abgerufen am 30. November 2016] kurze Übersichtsarbeit zu möglichen Anwendungen): “Improved mass transfer in cells, better deposit quality”
  5. a b Magnetic Electrochemistry. In: School of Physics, Magnetism and Spin Electronics Group, Research. Trinity College Dublin, the University of Dublin, abgerufen am 2. Dezember 2016 (englisch, schöne Beispiele für die Wirkungen eines Magnetfeldes): „A uniform magnetic field has a dramatic influence on the morphology of fractal electrodeposits grown in a thin flat cell.“
  6. Peter Dunne, J. Michael D. Coey: Patterning metallic electrodeposits with magnet arrays. In: American Physical Society (Hrsg.): Physical Review B. condensed matter and materials physics. Band 85, Nr. 22, 12. Juni 2012, ISSN 2469-9969, 224411, doi:10.1103/PhysRevB.85.224411 (englisch, online beim Dokumentenserver TARA des Trinity College [pfd; 9,3 MB; abgerufen am 30. November 2016]): “Magnetic fields [...] can be used to structure electrodeposits of both paramagnetic and diamagnetic ions, in patterns reflecting the magnetic field near the cathode”
  7. a b M. Weinmann, A. Jung, Harald Natter: Magnetic field-assisted electroforming of complex geometries. In: Journal of Solid State Electrochemistry. Band 17, Nr. 10. Springer, 2013, ISSN 1432-8488, S. 2721–2729, doi:10.1007/s10008-013-2172-6: „enhance the deposition of nickel on complex 3D geometries“
  8. a b Martin Weinmann: Elektrochemische Erzeugung dreidimensionaler Strukturen. Dissertation zur Erlangung des Grades des Doktors der Ingenieurwissenschaften. Saarbrücken 2015, DNB 1064868541, urn:nbn:de:bsz:291-scidok-59811: „Durch die Überlagerung von Magnetfeldern konnte bei besonders kritischen Bauteilgeometrien eine erhöhte Wandstärke erreicht werden und damit die Bauteildicke insgesamt reduziert werden, was insgesamt zu einer besseren Energiebilanz bei gleichzeitig verlängerter Lebensdauer führt.“
  9. Kristina Tschulik: Magneto-Elektrochemie. In: Forschung Mikro-/Nano-Elektrochemie, Elektrokatalyse & Funktionsmaterialien. Ruhr-Universität Bochum, abgerufen am 2. Dezember 2016 (deutsch).
  10. Tom Weier, Gerd Mutschke: Magnetic control of mass transfer and convection in electrochemical processes. Untersuchungen zur Nutzung von MHD-Verfahren in der Elektrochemie, Magnetoelektrochemie / Magnetoelectrochemistry. In: Abteilung Magnetohydrodynamik, Forschungsthemen. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 9. November 2016, abgerufen am 2. Dezember 2016 (englisch): „improving the uniformity of deposits, thus saving energy and material“
  11. a b c d Thomas Z. Fahidy: Magnetoelectrolysis. Reviews of Applied Electrochemistry 8. In: Journal of Applied Electrochemistry. Band 13, Nr. 5. Chapman and Hall, Springer, September 1983, ISSN 1572-8838, S. 553–563, doi:10.1007/BF00617811 (englisch, Zusammenfassung online [PDF; 963 kB; abgerufen am 30. November 2016] Übersichtsarbeit mit Überblick über frühere Arbeiten): “The major practical advantage of electrolysis in magnetic fields is the attainment of large mass transport rates”