Elektrodenreaktion

Eine Elektrodenreaktion bezeichnet eine chemische Reaktion, die an der Grenzfläche zwischen einem festen Elektrodenmaterial und einer Elektrolytlösung stattfindet und bei der Elektronen zwischen dem Elektrodenmaterial und gelösten Ionen übertragen werden. Sie ist zentral in galvanischen Zellen, Elektrolysezellen und Korrosionsprozessen und umfasst Oxidation oder Reduktion von Spezies an der Elektrode.

Die Reaktion erfolgt meist als heterogener Elektronentransfer, dessen Geschwindigkeit von der Überpotential (Differenz zwischen dem effektiven Elektrodenpotenzial und dem Gleichgewichtspotenzial), der Oberflächenstruktur des Elektrodenmaterials, der Konzentration der Reaktanden und der Massentransportlimitation abhängt. Die Kinetik wird oft durch die Butler-Volmer-Gleichung beschrieben, die den Strom in Abhängigkeit des Überpotentials charakterisiert. Das Gleichgewichtspotenzial ergibt sich aus der Nernst-Gleichung und verbindet Konzentrationen bzw. Aktivitäten der Reaktanden mit dem elektrochemischen Potenzial.

An der Grenzfläche bildet sich eine elektrische Doppelschicht, die als Barriere wirkt und deren Eigenschaften von Adsorption, Oberflächenzuständen und Lösungsmittel beeinflusst werden. Adsorption von Reaktanten oder Zwischenprodukten kann Reaktionspfade verändern und Rin- bzw. Rin-Rate modulieren.

Typische Beispiele sind die Wasserstoffentwicklung (HER) und die Sauerstoffentwicklung (OER) an der Anode bzw. Kathode in entsprechenden Medien, die Sauerstoffreduktion (ORR) in Brennstoffzellen und die Chlorentwicklung oder -reduzierung in wässrigen Elektrolysen. Elektrodenreaktionen spielen eine zentrale Rolle in der Energiespeicherung, Elektrochemie, Metallbearbeitung und Korrosionsschutz.

Elektrodenmaterialien reichen von inertem Material wie Platin oder Graphit bis zu aktiven Metallen, deren Oberflächenstruktur die Reaktionskinetik beeinflusst.