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Dr. Tom Weier

Lei­ter Flüssigmetallbatterie
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Dr. Gerd Mutschke

g.mutschkeAthzdr.de
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Magnetische Beeinflussung von Stofftransport und Konvektion in elektrochemischen Prozessen

Magnetfelder können die Stofftransportbedingungen in elektrochemischen Prozessen beeinflussen. Das kann u. a. dazu genutzt werden, die Effizienz oder die Raum-Zeit-Ausbeute zu erhöhen bzw. galvanische abgeschiedener Schichten zu strukturieren. 

Motivation

  • die Lorentzkraft kann zur Strömungskontrolle den prozessinhärenten Strom nutzen
  • die magnetische Gradientenkraft wirkt auf para- oder diamagnetische Elektrolyte
  • die Beeinflussung durch Magnetfelder erfolgt kontaktlos

Forschungsfelder

  • detailiertes Verständnis der Wechselwirkung von elektromagnetischer Beeinflussung, Konvektion und Stofftransport
  • Erhöhung des Grenzstroms (Raum-Zeit-Ausbeute= bei der Kupferraffination
  • Verbesserung der Gleichförmigkeit galvanischer Noederschläge um Energie und Material zu sparen
  • Strukturierung von aus para- oder diamagnetischen Elektrolyten galvanisch abgeschiedenen Schichten durch Nutzung der magnetischen Gradientenkraft
  • Gasentwicklung unter dem Einfluss magnetischer Felder um zur Effizienzerhöhung oder Verbesserung der Beschichtungsqualität (Einzelheiten)

Methoden

  • Laborexperimente, Visualisierung der Elektrolytströmung und Konzentrationsverteilung
  • Numerische Modellierung und Simulation

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • G. Mutschke: Magnetic Control of Flow and Mass Transfer in Weakly Conducting Fluids; In: B. Doudin et al. (eds.) Magnetic Microhydrodynamics, Topics in Applied Physics 120 (2024) 23-31. 10.1007/978-3-031-58376-6_3 
  • J. Massing, G. Mutschke, D. Baczyzmalski, S.S. Hossain, X. Yang, K. Eckert, C. Cierpka: Thermocapillary convection during hydrogen evolution at microelectrodes; Electrochimica Acta 297 (2019) 929-940. 10.1016/j.electacta.2018.11.187
  • X. Yang, D. Baczyzmalski, C. Cierpka , G. Mutschke, K. Eckert; Marangoni convection at electrogenerated hydrogen bubbles; Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 11542-11548. 10.1039/C8CP01050A
  • D. Baczyzmalski, F. Karnbach, G. Mutschke, X. Yang, K. Eckert, M. Uhlemann, C. Cierpka, Growth and detachment of single hydrogen bubbles in a magnetohydrodynamic shear flow, Physical Review Fluids, 2, 093701 (2017). 10.1103/PhysRevFluids.2.093701
  • G. Mutschke, D. Baczyzmalski, C. Cierpka, F. Karnbach, M. Uhlemann, X. Yang, K. Eckert, J. Fröhlich, Numerical simulation of mass transfer and convection near a hydrogen bubble during water electrolysis in a magnetic field, Magnetohydrodynamics, 53, 193-200 (2017). 2017/1/MG.53.1.20.R
  • T. Weier, D. Baczyzmalski, J. Massing, S. Landgraf, C. Cierpka, The effect of a Lorentz-force-driven rotating flow on the detachment of gas bubbles from the electrode surface, International Journal of Hydrogen Energy 42(2017)33, 20923-20933. 10.1016/j.ijhydene.2017.07.034
  • F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, J. Fröhlich, J. Eckert, A. Gebert, K. Tschulik, K. Eckert, M. Uhlemann, Interplay of the Open Circuit Potential-Relaxation and the Dissolution Behavior of a Single H2 Bubble Generated at a Pt Microelectrode, The Journal of Physical Chemistry C, 120, 15137-15146 (2016). 10.1021/acs.jpcc.6b02305
  • D. Baczyzmalski, F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, M. Uhlemann, K. Eckert, C. Cierpka,  On the electrolyte convection around a hydrogen bubble evolving at a microelectrode under the influence of a magnetic field, J. Electrochem. Soc. 163 (2016) 9, E248-E257. 10.1149/2.0381609jes
  • D. Baczyzmalski, T. Weier, C. Cierpka, C.J. Kähler,  Near-wall measurements of the bubble- and Lorentz-force-driven convection at gas-evolving electrodes, Exp. Fluids 56 (2015), 162. 10.1007/s00348-015-2029-0
  • G. Mutschke, K. Tschulik, M. Uhlemann, J. Fröhlich,  Numerical simulation of the mass transfer of magnetic species at electrodes exposed to small-scale gradients of the magnetic field, Magnetohydrodynamics 51(2015)2, 369-374. 2015/2/MG.51.2.22.R
  • S. Mühlenhoff, G. Mutschke, M. Uhlemann, X. Yang, S. Odenbach, J. Fröhlich, K. Eckert, On the homogenization of the thickness of Cu deposits by means of MHD convection within small dimension cells, Electrochem. Comm. 36 (2013) 80-83. 10.1016/j.elecom.2013.09.025
  • T. Weier, S. Landgraf,  The two-phase flow at gas-evolving electrodes: bubble-driven and Lorentz-force-driven convection, Eur. Phys. J. Spec. Top. 220 (2013), 313-322. 10.1140/epjst/e2013-01816-1
  • G. Mutschke, K. Tschulik, M. Uhlemann, A. Bund, J. Fröhlich, Comment on “Magnetic structuring of electrodeposits”, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 229401. 10.1103/PhysRevLett.109.229401
  • G. Mutschke, K. Tschulik, T. Weier, M. Uhlemann, A. Bund, J. Fröhlich, On the action of magnetic gradient forces in micro-structured copper deposition. Electrochim. Acta 55 (2010) 9060-9066. 10.1016/j.electacta.2010.08.046
  • G. Mutschke, A. Hess, A. Bund, J. Fröhlich, On the origin of horizontal counter-rotating electrolyte flow during copper magnetoelectrolysis. Electrochim. Acta 55 (2010) 1543-1547. 10.1016/j.electacta.2009.10.015
  • C. Cierpka, T. Weier, G. Gerbeth, M. Uhlemann, K. Eckert, Copper deposition and dissolution in seemingly parallel electric and magnetic fields: Lorentz force distributions and flow configurations. Journal of Solid State Electrochemistry 11(6) (2007) 687-701. 10.1007/s10008-006-0215-y
  • T. Weier, K. Eckert, S. Mühlenhoff, C. Cierpka, A. Bund, M. Uhlemann, Confinement of paramagnetic ions under magnetic field influence: Lorentz versus concentration gradient force based explanations, Electrochem. Comm. 9 (2007) 2479–2483. 10.1016/j.elecom.2007.07.026
  • T. Weier, C. Cierpka, J. Hüller, G. Gerbeth, Velocity Measurements and Concentration Field Visualizations in Copper Electrolysis Under the Influence of Lorentz Forces and Buoyancy, Magnetohydrodynamics, 42(4) (2006) 379-387 2006/4/MG.42.4.4
  • T. Weier, J. Hüller, G. Gerbeth, F.-P. Weiss, Lorentz force influence on momentum and mass transfer in natural convection copper electrolysis, Chem. Eng. Sci. 60(1) (2005) 293-298. 10.1016/j.ces.2004.07.060 
  • T. Weier, J. Hüller, G. Gerbeth, Magnetic Field Influence on Electrochemical Processes, Ann. Rep. 2001 Inst. Safety Research (2002) 81-85 WTB FZR-342