随着世界人口的增长及生产力的发展,人类对能源的需求越来越高,而常规能源资源储量有限且不可再生,如何合理开发可再生能源已经成为人类进入21世纪以后面临的新课题。随着环境和资源问题日益突出以及生物质资源利用技术日趋成熟,生物质资源作为能源和化工原料的作用越来越重要,将成为社会可持续发展的基本支柱之一。以往对生物质热解的研究主要集中于热解气和液体产物的研究,通过控制反应条件达到最大产量的目的。本文通过分子动力学和量子化学方法研究了木聚糖热解的主要断键过程及热解路径,打破了以往研究的“黑箱”方法;并且以微晶纤维素为热解对象,采用实验方法研究了纤维素的初期热解过程,验证了活性纤维素的存在。主要研究内容及结果如下:采用Hyperchem聚合物构建软件和半经验方法建立并优化木聚糖分子结构模型,得到木聚糖分子链的结构参数。基于Amber力场,采用周期性边界条件,在300~1300 K温度范围内,模拟研究了聚合度为9的木聚糖链的热解过程。结果表明:在温度为550 K时,木聚糖分子链上木糖苷键断裂,同时羟基脱落。当温度升高到650 K时木聚糖吡喃环上C-O键断裂,之后相应发生C-C键断裂。模拟得到木聚糖链热解的主要断裂基团,并分析了基团碎片可能对应的产物以及木聚糖主要裂解产物2-糠醛、乙醇醛、丙酮醇、二氧化碳、一氧化碳的生成机理。采用Gaussian 03程序中密度泛函(DFT)理论B3LYP/6-31++G(d, p)方法,对木聚糖一个循环单元的热解机理进行了理论研究。设计了八条热解路径,对每条路径中反应物、中间体、过渡态和产物进行能量梯度全优化,并对过渡态进行了IRC验证,在298~1098 K温度范围内计算了每个路径的热力学及动力学参数。结果表明:Path1、Path2为放热反应,Path3在798 K由吸热反应转变为放热反应,其余路径为吸热反应;室温到798 K,2-糠醛和水的转化率最高,温度高于898 K,Path4成为主反应路径。通过动力学分析给出了木糖分子不同断键方式下的三个最优路径,其中Path2的控速步为Step4活化能为273.6 kJ/mol,Path6的控速步为Step7活化能为363.9 kJ/mol,Path7或8的控速步为Step15活化能为336.5 kJ/mol。无论热力学还是动力学都优先支持Path2生成2-糠醛和水,其次是Path6生成乙醇醛和甲醛,Path7或Path8生成乙醇醛、乙二醇和一氧化碳。在激光热解实验台上进行了纤维素闪速热解研究,获得一种易溶于水的黄色产物。通过质谱分析,测定了黄色产物的主要成分为聚合度从2到11的低聚糖,通过模拟计算进行了验证,与文献所述的活性纤维素一致。通过高效液相色谱分析,测定了黄色产物中葡萄糖、果糖及低聚糖(DP2~DP4)在不同工况下的产量。分析表明:高辐射功率下,葡萄糖不是低聚糖分解的唯一产物,存在另一种产物与葡萄糖竞争分解低聚糖。最后分析了纤维素一次热解的演变规律。