Der dringende Bedarf an grünem Wasserstoff als Säule der Energiewende unterstreicht die Notwendigkeit hochaktiver, langlebiger und skalierbarer Komponenten für die alkalische Wasserelektrolyse (AWE). Unter den kritischen Komponenten der AWE spielt die Anode eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung des Systems. Daher widmet sich diese Dissertation der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Prozessparametern, Anodenstruktur, Schichteigenschaften und elektrochemischer Leistung der Anoden während der alkalischen Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Obwohl erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung aktiver, pulverbasierter Katalysatormaterialien erzielt wurden, bleibt die Übertragung ihrer intrinsischen Aktivität auf industriell relevante Anoden begrenzt. Dies ist auf ein unzureichendes Verständnis des Zusammenhangs von Struktur und Anodeneigenschaften wie Benetzbarkeit, mechanische Stabilität sowie der Sauerstoff-Elektrolyt-Wechselwirkung an der Dreiphasengrenze zurückzuführen. Um diese Lücke zu schließen, wurden Methoden entwickelt, die eine quantitative Beschreibung von Oberflächeneigenschaften ermöglichen und aus den gewonnenen Erkenntnissen Strategien zur gezielten Herstellung von Elektroden mit definierten Benetzungseigenschaften abgeleitet, um schlussendlich Prozess-Struktur-Eigenschaft-Performance-Beziehungen von Anoden aufzuklären.

The first part of this thesis introduces Multistage data quantification (MSDQ), a statistical framework developed to enable the reliable extrapolation of micrometer‑scale surface measurements to macroscopic anode areas. This approach ensures statistical representativeness across heterogeneous anode surfaces. MSDQ is a key to achieve morphological control as it enables systematic characterization and comparison of surface features in full‑scale anodes. To establish and validate the MSDQ framework, two morphologically distinct yet chemically identical anode surfaces were fabricated. A commercially available cobalt oxide (Co₃O₄)-based catalyst ink was sprayed onto 1 × 1 cm² nickel supports. The morphological variation was induced by applying different ink flow rates during the coating process. A rough morphology was achieved with a high ink flow rate, while a smooth morphology was achieved with a low ink flow rate. Subsequently, MSDQ was applied to these two anodes, and key morphological descriptors were extracted, including surface roughness, roughness factor, and a newly defined homogeneity score obtained via atomic force microscopy. The application of MSDQ facilitated correlation of these descriptors with OER activity, measured via scanning droplet cell electrochemistry. The results revealed a strong correlation between the quantified surface features and electrocatalytic performance, thereby enabling the separation of intrinsic material activity from extrinsic structure-induced effects. This highlights the utility of MSDQ in systematically correlating structure–activity relationships of anodes.

Im zweiten Teil werden die morphologischen Merkmale von Nickel-Kobaltoxid-(NKO)-Anodenschichten, die mit MSDQ quantifiziert wurden, mit makroskopischen Eigenschaften der Anodenschichten wie Benetzbarkeit und mechanischer Stabilität in Beziehung gesetzt und schließlich mit der OER-Leistung korreliert. Zu diesem Zweck wurden vier Anoden mit vergleichbaren NKO-Beladungen und identischer chemischer Zusammensetzung, jedoch unterschiedlichen Morphologien hergestellt. Dies geschah durch die Verwendung von Katalysatortinten, deren Lösungsmittelzusammensetzung (reines Wasser vs. Wasser–Ethanol-Gemisch) und Trocknungstemperaturen (50 °C und 150 °C) variierten. Die Tinten wurden mittels Ultraschallsprühbeschichtung auf Ni-Substrate aufgebracht. Die Variation der Lösungsmittelzusammensetzung beeinflusste die Stabilität der Tinte: Wasserbasierte Tinten zeigen eine geringere Stabilität gegenüber Agglomeration und Sedimentation als Wasser–Ethanol-basierte Tinten, was in Übereinstimmung mit mechanischen Stabilitätsmessungen zu einer verbesserten Partikelkonnektivität innerhalb der aufgebrachten Schichten führt. Diese verbesserte Partikelkonnektivität reduzierte den Kontaktwiderstand und steigerte die katalytische Aktivität. Da die mechanische Stabilität ein entscheidender Faktor für die Leistung der Anodenschicht ist, lieferten diese Messungen wichtige Einblicke in die strukturelle Stabilität und Haltbarkeit der Anoden. Der zweite Parameter, die Trocknungstemperatur, beeinflusste die Oberflächenmorphologie der Anodenschichten: Bei 50 °C entstehen raue, hügelartige Strukturen, während bei 150 °C glattere, konkave Formationen mit geringerer Rauheit beobachtet wurden. Zweidimensionale Oberflächenverteilungsdaten zeigten, dass eine höhere Rauheit mit einer stärkeren Lyophobie korreliert, was die Blasenablösung erleichtert und dadurch die Zugänglichkeit aktiver Zentren verbessert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Kontrolle auf der Ebene der Mikrostruktur für die Beeinflussung der Benetzbarkeit der Anodenschicht.

Der dritte Teil erweitert die bisherige Untersuchung um eine detaillierte Analyse der Benetzbarkeit, die sowohl lyophile als auch lyophobe Oberflächen umfasst. Die Oberflächenbenetzbarkeit wird durch die Wahl des Bindemittels (Sustainion vs. Nafion) sowie durch trocknungsinduzierte mikrostrukturelle Modifikationen gezielt eingestellt. In einer systematischen Untersuchung zeigt die auf Sustainion basierende Anodenschicht eine ausgeprägte Super-Lyophilie (θ < 10 °), was einem Wenzel-Benetzungszustand entspricht. Im Gegensatz dazu weisen die auf Nafion basierenden Anodenschichten eine gezielt erzeugte Super-Lyophobie (θ > 150 °) auf, die charakteristisch für einen Cassie-Baxter-Benetzungszustand ist. Mit einer Reduktion von 80 mV bei 100 mA cm⁻² erreichte die super-lyophile Anodenschicht das niedrigste Überspannungspotential unter allen getesteten Anoden. Nach der elektrochemischen Charakterisierung zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Benetzungszustand und dem Ausnutzungsgrad der Anodenschicht sowie der Dynamik der Blasenablösung. Die super-lyophile Anodenschicht ermöglichte eine vollständige Elektrolytdurchdringung aufgrund der schnellen Ablösung von Sauerstoffblasen und der vollständigen Aktivierung der Materialien in der Schicht. Im Gegensatz dazu wiesen super-lyophobe Anodenschichten aufgrund der Bildung größerer Blasen und deren Haftung an der Oberfläche große, nicht benetzte Bereiche von bis zu etwa 47 % auf, was zu einer nur teilweisen Beteiligung der Anodenschicht an der OER führte. Diese Erkenntnisse ermöglichen das gezielte Design von Hochleistungsanoden durch die systematische Kontrolle der Benetzbarkeit über das gesamte Spektrum von Lyophil bis Lyophob.

Zusammenfassend liefert diese Dissertation einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis, wie Herstellungsprotokolle, Struktureigenschaften und das Benetzungsverhalten die Anodenleistung während der OER bestimmen. Durch die Kombination quantitativer Oberflächenanalysen mit den Prozessparametern wärend der Beschichtung und der wissensbasierten Gestaltung von Tintensystemen etabliert die Arbeit einen Rahmen für die Entwicklung von Hochleistungsanoden mit optimaler Struktur. Die gewonnenen Ergebnisse erweitern dabei das Wissen über die Gestaltung von AWE-Elektroden und bieten potentiell auch auf andere elektrochemische Technologien übertragbare Strategien wie die Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse.