Herzlichen Glückwunsch an Julian Heinrich zur erfolgreichen Promotion

Am 22. September 2026 hat Dr. rer. nat. Julian Heinrich seine Dissertation mit dem Titel " Oxygen Bubble Management on Functionalized Surfaces for Proton Exchange Membrane Electrolyzer Systems" erfolgreich verteidigt.

Die Arbeit befasst sich mit einer zentralen Herausforderung bei der nachhaltigen Wasserstoffproduktion: der effizienten Steuerung von Sauerstoffblasen, die bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren entstehen. Während erneuerbare Energien zur Reduktion fossiler Brennstoffe und zur Erreichung einer kohlenstoffneutralen Industrie entscheidend sind, führen ihre schwankenden Erzeugungsbedingungen zu erheblichen Leistungsfluktuationen. Der „Power-to-Gas“-Ansatz nutzt hierbei PEM-Elektrolyse, um überschüssige Energie in grünen Wasserstoff umzuwandeln (diese ist dank ihrer hohen dynamischen Reaktionsfähigkeit und Betriebsflexibilität ideal geeignet, um Stromspitzen auszugleichen). Die Effizienz des gesamten Prozesses ist jedoch entscheidend für die wirtschaftliche Umsetzbarkeit dieser Strategie.

Ein zentraler Faktor, der die Leistung beeinträchtigt, ist die Bildung von Gasblasen, die den Wärme- und Stoffübergang verschlechtern. Ein gezieltes Management der Blasenbildung ist daher vielversprechend, um die Systemleistung zu steigern und Betriebskosten zu senken.

Julian untersuchte, wie durch Oberflächenfunktionalisierung die Wechselwirkungen zwischen fester Oberfläche und Gasphase gezielt beeinflusst werden können. Mit Hilfe der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) wurden hochraue Substrate, die für Peripherie-Elemente untersucht und mittels additiver Fertigung hergestellt wurden, mit dünnen Polymerschichten beschichtet, um deren Benetzbarkeit je nach verwendetem Monomer gezielt zu verändern. Langzeitstudien zeigten, dass die Beschichtungen auch nach 150 Tagen stabil bleiben und die Blasenbildung signifikant beeinflussen.

Parallel dazu wurden metallische Substrate mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) mit kreuzförmigen Mikrostrukturen versehen, wodurch sowohl gezielt Oberflächenrauheit als auch Chemie verändert wurden. Die Methode eignet sich sowohl für konventionell als auch additiv gefertigte Materialien und ermöglicht die Herstellung hochperiodischer Oberflächen mit deutlich vergrößerter Oberfläche. Auch hier wurden Langzeitverhalten und Wettbarkeitsentwicklung über 140 Tage untersucht. Obwohl der Prozess eine zunächst stark hydrophile Oxidschicht erzeugt, zeigen die Ergebnisse, dass die Umgebungseinflüsse entscheidend für die Entwicklung der Benetzbarkeit sind. Besonders auffällig sind die hohe Reversibilität und Anpassungsfähigkeit der laserstrukturierten Oberflächen.

Die Ergebnisse zeigen: Hydrophobierung fördert die Blasenbildung mit mehr Nukleationsstellen und kleineren Blasen, führt aber zu einer verminderten Ablösung. Bei hydrophilen Oberflächen hingegen sinkt die Blasenflächenbedeckung deutlich, während die Ablösung verbessert wird. Die Untersuchung der Substratarten (konventionell vs. additiv gefertigt) zeigt, dass die rauere Oberfläche additiv gefertigter Materialien die Energiebarriere für die Blasenbildung senkt und somit eine höhere Dichte an Nukleationsstellen ermöglicht.

Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass durch gezielte Kombination von Oberflächenchemie und -topographie die Wechselwirkungen zwischen fester und gasförmiger Phase präzise gesteuert werden können. Dies eröffnet neue Wege zum gezielten Blasenmanagement und damit zur Optimierung von PEM-Elektrolyseuren; mit direkten Auswirkungen auf Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit grüner Wasserstofftechnologien.