Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem durch Anlegen einer elektrischen Spannung nicht‑spontane chemische Reaktionen erzwungen werden. In der Werkstofftechnik dient sie sowohl der Gewinnung und Raffination von Metallen als auch der Erzeugung reaktiver Gase (z.B. Wasserstoff) und der Modifikation von Oberflächen.

Grundlage ist eine elektrochemische Zelle mit Anode und Kathode, getrennt durch einen Elektrolyten (flüssig oder fest). Unter Stromfluss laufen an den Elektroden Redoxreaktionen ab: Oxidation an der Anode, Reduktion an der Kathode. Die Kinetik wird durch Elektrodenmaterial, Elektrolyt, Temperatur, Stromdichte und Zellgeometrie bestimmt.

Zentrale Anwendungen umfassen die Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff als Reduktionsmittel oder Energieträger. Hier kommen alkalische, PEM- und Anionenaustauschmembran‑Elektrolyse (AEM) zum Einsatz, die sich hinsichtlich Leitmechanismus, Materialanforderungen und Stabilität unterscheiden. Photoelektrochemische Wasserspaltung koppelt diese Prozesse direkt an Lichtabsorbermaterialien.

In der Metallurgie ist die Aluminium‑Elektrolyse (Hall‑Héroult‑Prozess) ein Schlüsselverfahren, bei dem Al₂O₃ in kryolithischer Schmelze elektrolytisch zu Aluminium reduziert wird. Weitere Beispiele sind die Elektrolyse seltener Erden, die elektrolytische Raffination von Kupfer sowie die Abscheidung funktionaler Schichten.

Aktuelle Forschungsfelder betreffen mehrstufige (zweistufige) und direkte Elektrolyseprozesse, neuartige Elektrolyten und Membranen, degradiationsresistente Elektrodenwerkstoffe sowie die Kopplung der Elektrolyse mit erneuerbaren Energiequellen zur Dekarbonisierung energieintensiver Prozessketten.