Investigation of localized reduction phenomena in Yittria stabilized Zirconia electrolytes

This thesis investigates localized reduction processes in yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolytes under solid oxide electrolysis cell (SOEC) conditions. Utilizing the Hebb- Wagner polarization method, the reduction phenomenon in YSZ was extensively examined through various voltage applications. Techniques including AFM, SEM, Raman spectroscopy, and optical microscopy were employed to study electrocoloration effects and morphological changes. The experiment involved applying external voltages to YSZ in vacuum conditions and at 400°C, observing a finger-like blackening front moving from cathode to anode. Different phases of the reduction front displayed varying rates, stabilizing toward the anode. The transition from ionic to electronic conductivity posed challenges for SOEC applications, influenced by electrode geometry. Electroreduction significantly altered YSZ surface structures, observed through optical microscopy, with Raman spectroscopy hinting at an insulator to metal transition. However, SEM/EDX analyses showed limited surface features, emphasizing electrocoloration's penetration throughout the material. Future research suggestions include X-ray diffraction for lattice changes and in-depth analyses of voltage impacts on the blackening front. Exploring oxidation states during front movement using in-situ XPS techniques could offer further insights.

Questa tesi indaga i processi di riduzione localizzati negli elettroliti di ossido di zirconio stabilizzati da ittria (YSZ) nelle condizioni della cella elettrolitica a ossido solido (SOEC). Utilizzando il metodo di polarizzazione di Hebb-Wagner, è stata esaminata approfonditamente il fenomeno della riduzione in YSZ attraverso diverse applicazioni di tensione. Tecniche come AFM, SEM, spettroscopia Raman e microscopia ottica sono state impiegate per studiare gli effetti dell'elettrocolorazione e le variazioni morfologiche. L'esperimento ha coinvolto l'applicazione di tensioni esterne a YSZ in condizioni di vuoto e a 400°C, osservando un fronte di annerimento simile a dita che si muove dal catodo all'anodo. Diverse fasi del fronte di riduzione hanno mostrato diverse velocità, stabilizzandosi verso l'anodo. La transizione da conducibilità ionica a elettronica ha presentato sfide per le applicazioni SOEC, influenzata dalla geometria dell'elettrodo. L'elettroreduzione ha alterato significativamente le strutture superficiali di YSZ, osservate attraverso la microscopia ottica, mentre la spettroscopia Raman ha suggerito una transizione da isolante a metallo. Tuttavia, le analisi SEM/EDX hanno mostrato caratteristiche superficiali limitate, sottolineando la penetrazione dell'elettrocolorazione in tutto il materiale. Suggerimenti per future ricerche includono la diffrazione ai raggi X per le variazioni reticolari e analisi approfondite dell'impatto della tensione sul fronte di annerimento. Esplorare gli stati di ossidazione durante il movimento del fronte usando tecniche in- situ XPS potrebbe offrire ulteriori approfondimenti.