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金刚石以其优异的物理和化学性能,是机械、电子等工程领域的最佳材料之一。同样,它作为一种电极材料,在污水处理、电分析、电合成和声电化学等领域的应用和研究也日益广泛。尤其是它作为一种具有高硬度、高熔点和化学惰性碳素材料,使其在高温电解领域也具有了广阔的研发价值和应用前景。实际生产中,碳素电极在高温电解中最重要的应用是电解氧化铝生成金属铝的工业产铝过程,简称霍尔-埃鲁法电解铝。因氧化铝本身的熔点很高(2050℃),所以采用在其熔点较低的氟化物中共融,可降低温度至1000℃左右。该方法能耗极高,并损耗大量的优质碳素材料,释放二氧化碳和含氟气体。因此降低电解温度和开发惰性碳素电极成为了从根本上有效改良霍尔-埃鲁法电解铝的两种主要手段,本课题利用惰性金刚石电极替代传统的石墨电极,生成产物为氧气,减少了温室气体和污染物的排放。同时调整电解液参数,降低电解温度到800℃,既保证了金刚石电极使用的可行性同时也减少了电能的消耗。本论文首先对金刚石薄膜电极的制备及性能改进进行了相关的理论探索和实验研究。设计制作了体积为5L的热丝气相沉积装置,在硅片基底上以反应压力40mbar,温度750℃,沉积时间10h的条件下制备了厚度为351μm的金刚石薄膜,并通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、X-射线衍射(XRD)和X-光电子能谱(XPS)等标准手段进行测试分析。在石墨和硅片基底上通过制备两种不同生长条件的薄膜来探讨金刚石颗粒的生长机理及中间层存在的可能性。生长条件分别为一步法的750℃/10hrs和两步法的650℃/5hrs+750℃/5hrs,通过TEM对硅片基底上生长的金刚石薄膜纵刨面的晶型结构进行分析得出有中间层SiC的存在。为了进一步提高金刚石薄膜的热稳定性能和表面电导率以便于应用在高温电解中,本论文采用CF4和O2的混合气体对膜表面进行改性,并对刻蚀前后膜的各种性能进行比较。刻蚀后金刚石薄膜的表面悬键由原来的氢终端为主变为氧终端和氟终端为主,显著降低了sp3杂化的碳含量,因此膜表面的粗糙度、接触角、电导率和耐热性均有所提高。经过对不同生长条件的各项性能比较,最终选定在硅片基底上经过20min气体刻蚀过的一步法(750℃/10hr)制备的金刚石薄膜电极为应用于铝电解实验中的电极材料。本论文还针对电解铝的电解液成分、电化学过程、反应电位等进行了理论研究。通过对电解液的分子比(CR)、初晶温度、氧化铝的溶解度的计算,最终确定了CR为1.5的电解液体系：Na3AlF6.AlF3.CaF2(3％)-LiF(1％)-Al2O3,其中A1203的溶解度约为4.6wt%,熔体密度为2.0585。建立铝电解电化学测试装置,包括50mL电解槽、加热炉、电极、热电偶和升降装置。通过线性电位扫描法和循环伏安法测试800℃电解氧化铝的各种反应电位,确定单质Al析出的电位为+0.45V,氧气的析出电位为+2.7V。通过交流阻抗(EIS)和等效电路图模拟计算得出熔体电阻为13.9ohm,金刚石电极的表面电阻为9.16ohm,金刚石电极的双电层电容59.5ohm。最后进行小型的实验室电解铝,模拟实际工业中电解铝的工艺,采用电流效率1A/m2,电解时间为1.5hr,电极间距4cm,阳极有效工作面积10cmm2。在电解过程中在线收集阳极气体进行定量定性分析,其中的02含量在电解过程中一直增加。通过对固体产物的XPS和XRD分析,判断其为金属铝。