人类对传统化石资源的过度开采导致化石资源出现日益枯竭,而化石资源的过度使用也造成了严重的环境污染问题,比如温室效应和排放环境污染物(PM2.5、浮碳、碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、硫化物等)。为了减轻工业发展对化石资源的严重依赖以及降低环境污染压力,世界各国政府和组织都希望开发出绿色清洁能源来部分或完全替代化石能源。生物质资源是通过光合作用聚合而成的超分子碳水化合物,是自然界唯一的可再生有机碳资源。自然界中的生物质资源储量丰富、分布广泛、绿色清洁、循环可再生,成为替代不可再生化石资源的潜在资源。以生物质资源作为绿色原料,可以通过多种化学方式进行转换生产燃料和高附加值化学品。纤维素是木质纤维素生物质资源三组分(纤维素、半纤维素和木质素)中含量最多的组分,由价廉易得的纤维素制备燃料分子和高附加值化学品意义重大。纤维素结构是由β-1,4-糖苷键连接的生物高聚物,呈现出较高结晶度的网络状结构。纤维素聚合结构中含有大量的羟基官能团,这些羟基官能团之间具有很强的氢键作用力,同时分子内和分子间的氢键作用力使其形成顽固的三维晶体网状结构。鉴于纤维素结构的顽固性和复杂性,因此,纤维素进行下游转化非常困难而且产物分布较为复杂。针对以上问题,我们通过设计和开发多功能性催化剂实现纤维素高效定向解聚,选择性催化氢化制备产物较为单一的燃料分子(乙醇)或二元醇类(乙二醇和丙二醇)高附加值化学品。同时,功能性催化剂也能够实现纤维素下游平台分子乙酰丙酸(酯)选择性催化氢化制备γ-戊内酯高附加值化学品。第一章首先介绍了生物质资源、生物质组成成分、生物质处理技术和生物质资源转化和利用的重要意义以及当前的研究现状,尤其纤维素成分通过选择性催化氢化手段向下游转化的多种途径以及详细研究现状。第二章简要综述了生物燃料的发展现状及研究意义,并通过开发和设计多功能催化剂Ru-WOx/HZSM-5实现了一锅法将纤维素基生物质高效催化氢化,高选择性地制备得到燃料分子乙醇。研究表明,具有多孔结构、大比表面积和酸特性的分子筛负载的钌和钨双金属多相催化剂对纤维素解聚具有协同催化作用,金属与载体间以及双金属间的相互作用促进金属颗粒呈现均一分散、Ru3W17合金新物相和催化剂表面中等强度的酸特性等共同协同作用,很好的平衡了纤维素解聚过程中发生的水解、retro-aldol缩合、加氢、脱水等一系列反应,大大降低了副反应的进行,提高了整体碳收率,精准地调控了反应选择性生成燃料乙醇。同时,结合两步程序升温法和外加Ru/WOx催化剂助催化葡萄糖retro-aldol缩合反应进行催化高浓度纤维素解聚,有效地提高了乙醇浓度。第三章介绍了二元醇(乙二醇和1,2-丙二醇)的用途以及由生物质纤维素制备二元醇的研究现状。最后,通过开发弱碱性催化体系实现由纤维素一锅法高选择性高产率转化生成乙二醇(EG)和1,2-丙二醇(PG)。研究表明,稀土金属氧化铈负载的钴金属催化剂呈现弱碱性,Con+-Ox-Ce3+酸-碱对活性位点能够显著抑制纤维素解聚过程中糖类化合物结焦副反应的发生,精确控制反应选择性生成二元醇类化合物(乙二醇和1,2-丙二醇),有效地提高了整体产物的碳收率。这是目前报道的首例弱碱性催化体系控制下的纤维素解聚过程。第四章介绍果糖通过催化转化为1,2-丙二醇是实现由生物质糖类转化为高附加值化学品的重要过程。设计并采用Ru-WOx/HAP催化剂进行催化反应,在水相中,180℃,1 MPaH2,8h反应条件下,1,2-丙二醇的产率达到91.3%。在该催化剂中,Ru和WOx在HAP载体上高度分散,并且它们产生相互作用形成一个特殊的催化中心。由于未形成分离的Ru或RuW合金位点,导致氢解活性适中,阻碍了 1,2-丙二醇进一步转化为丙醇。弱碱性HAP载体有效地阻止了胡敏素的形成。这种精确控制的催化剂在绿色制备1,2-丙二醇生产中具有潜力。第五章介绍了乙酰丙酸(酯)和加氢产物γ-戊内酯(GVL)的重要用途。并且开发了 Ni-Fe双功能催化剂催化由纤维素向下游转化发生水/醇解反应得到的平台分子乙酰丙酸(酯)进行高效加氢制备γ-戊内酯的过程。研究表明,催化剂经过还原处理后表面形成NiFe合金位点,具有非常高效的加氢活性,同时催化剂表面含有的FeOx位点具有高效吸附底物羰基官能团作用,NiFe合金活性位点和FeOx吸附活性位点具有协同催化作用,实现了温和条件下非贵金属基催化剂催化乙酰丙酸酯高效加氢制备γ-戊内酯。第六章总结与展望。本论文主要对纤维素及下游平台分子催化加氢反应进行研究,通过开发和设计多功能性催化剂实现纤维素及平台分子的选择性催化氢化制备燃料分子和高附加值化学品,详细研究和阐明各催化体系与反应的构效关系,并对生物质加氢反应及多功能性催化剂的发展进行了未来展望。