生物质是一种世界上储量最为丰富且易得的可再生含碳物质。如何将这种资源高效的转化为可利用的平台化合物,尤其是能源物质如葡萄糖和糠醛等高附加值化学品一直是世界各国研究的重要内容。其中,约占生物质40%～60%的纤维素是由D型葡萄糖单体通过β-1,4-葡萄糖糖苷键连接的线性高分子构成。然而,葡萄糖单元之间可形成氢键,从而在纤维素链间或链内存在大量的分子间和分子内氢键,使纤维素表现出很高的聚合度（DP）和结晶度。这种结构特点严重阻碍了纤维素与催化剂之间的相互接触。因此,选择有效的预处理方法,有利于降低纤维素聚合度和结晶度以增加与催化剂的相互作用。与液体酸和酶作为催化剂水解纤维素相比,固体酸催化剂可以实现与产物的快速分离、对设备腐蚀性小,并且具有一定的重复性以及环境友好等优点,因此得到了科学家的高度关注。其中,炭基固体酸作为催化剂,由于具有良好的催化活性、热稳定性、耐酸耐碱性及良好的重复使用性等特点,成为近年来许多学者研究的热点内容。与常用的生物质基固体酸（碳化产率30 wt%左右）相比,煤沥青作为煤化工过程中的副产品,不仅具有产量大、含碳量高、价格低廉等特点,且在适宜条件下形成的炭材料在其表面含有丰富的稠环芳烃组分,进而有利于酸性基团的引入。因此,探索以煤沥青为原料制备具有多功能结构和高酸量的炭基固体酸催化剂,并且研究催化水解纤维素动力学规律,这对高效利用生物质及新型固体酸催化剂的制备具有潜在的应用价值和理论研究意义。本文首先采用双氧水、超声波和金属离子联合预处理方法对纤维素进行预处理,探索了联合预处理方法对纤维素结晶度和聚合度的影响;其次制备了一系列具有多功能结构的炭基固体酸催化剂,研究了固体酸催化水解纤维素机理以及对水解产物总还原糖产率的影响。主要包括以下五方面内容:（1）采用双氧水、超声波和金属离子联合预处理方法预处理纤维素,研究了不同的金属离子(M=Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Mn²⁺或Fe²⁺)对纤维素聚合度和结晶度的影响。研究表明,仅使用超声波预处理、超声波联合镍离子预处理以及联合超声波、镍离子和双氧水预处理纤维素时,其聚合度分别减少了16.6%、32.8%和47.9%,表明联合预处理可以更有效地降低纤维素聚合度。对五种不同金属离子降解纤维素聚合度的研究表明,对纤维素聚合度解聚的效果遵循:Ni²⁺>Cu²⁺>Co²⁺>Fe²⁺>Mn²⁺。这主要归因于Ni²⁺的离子半径和水合离子半径在这些金属离子中最小,更容易进入纤维素内部结构并与纤维素结构中葡萄糖单元形成稳定的中间络合物,破坏纤维素分子间氢键,降低纤维素结晶度和聚合度。通过对其动力学分析可知,该预处理过程符合一级反应动力学模型(降解动力学方程为DP=102.2+93.8e^-0.000798t),预处理过程所需要的活化能为17.33 k J/mol。（2）采用煤沥青中间相炭微球为原料,制备出具有较高表面酸量和良好催化水解性能的固体酸催化剂（MCMB-SO₃H）。通过考察不同磺化条件,制备了表面总酸量和磺酸基（–SO₃H）酸量为4.36 mmol/g和2.18mmol/g的固体酸催化剂。该固体酸表面酸量高于文献中活性炭基固体酸催化剂。将其用于催化水解预处理的纤维素（DP=101.5）和微晶纤维素（DP=195）,结果表明,当水解温度、水解时间和催化用量分别为140°C、4 h和0.5 g时,水解预处理的纤维素得到的总还原糖（TRS）产率为66.7%,且纤维素转化率（Cr）达到68.8%。然而,对比相同水解条件下,水解微晶纤维素得到的TRS产率和Cr分别为54.3%和56.5%。这表明预处理后的纤维素更容易发生水解反应。进一步研究证实,MCMB-SO₃H还具有良好的循环性能和再生性能,催化剂循环六次后,水解预处理的纤维素得到的TRS产率仍可达到54.1%;该类催化剂经过一次和二次再生后,TRS产率分别为63.2%和62.5%。（3）针对单一功能的固体酸催化剂与纤维素之间相互结合作用力弱的问题,采用煤沥青中间相炭微球为原料,通过付克烷基化反应和磺化反应制备出同时含有吸附活性位点（–Cl）和催化活性位点（–SO₃H）的多功能固体酸催化剂（Cl-MCMB-SO₃H）。考察在不同烷基化反应条件和磺化反应条件下,固体酸催化剂表面磺酸基和氯官能团的含量。在最佳制备条件下,Cl-MCMB-SO₃H表面–SO₃H和–Cl含量分别为1.98 mmol/g和1.72mmol/g。在水溶液体系中,当水解温度、水解时间和Cl-MCMB-SO₃H用量分别为130°C、4 h和0.5 g时,水解产物TRS产率为70.3%。使用一次和二次再生后的Cl-MCMB-SO₃H水解纤维素,TRS产率依然可以达到70.1%和69.7%,这表明该固体酸催化剂具有优异的再生能力。通过对水解动力学分析可知,Cl-MCMB-SO₃H催化水解过程需要的表观活化能为89.4k J/mol,明显小于不含–Cl官能团固体酸（MCMB-SO₃H）水解过程需要的表观活化能（109.2 k J/mol）,这表明–Cl官能团有助于降低催化水解纤维素所需要的表观活化能。（4）考虑到固体酸催化剂与剩余反应物存在分离困难的问题,以四氧化三铁（Fe₃O₄）为磁性添加物、煤沥青为碳源,制备具有优异磁学性能的磁性炭微球前驱体（Fe₃O₄/MCMB）。当炭化温度、炭化时间和Fe₃O₄添加量分别为410°C、4 h以及9 wt%时,制备的Fe₃O₄/MCMB粒径在20μm左右。经过付克烷基化反应和磺化反应制备的Fe₃O₄/Cl-MCMB-SO₃H表面–SO₃H和–Cl含量分别为1.77 mmol/g和1.32 mmol/g。Fe₃O₄/MCMB和Fe₃O₄/Cl-MCMB-SO₃H饱和磁滞强度分别为34.4 emu/g和29.4 emu/g,这表明催化剂可以在外部磁场的作用下实现催化剂与未反应物之间的快速分离。此外,该催化剂具有良好的催化性能,在最佳的水解条件下,水解产物TRS产率达到了68.6%;催化剂循环使用六次后,TRS产率依然可以达到61.1%。（5）以三聚氰胺为氮源、聚氯乙烯为氯源以及煤沥青为碳源,制备氮氯共掺杂炭前驱体,然后以浓硫酸为磺化试剂,制备双吸附官能团多功能固体酸催化剂(PCP_4-1-1.5-SO₃H)。充分利用固体酸结构中所含氮官能团和氯官能团可以与纤维素形成氢键来提高纤维素与催化剂之间的吸附作用。所制备的PCP_4-1-1.5-SO₃H表面总酸量和–SO₃H含量分别为3.38 mmol/g和1.95 mmol/g,同时,催化剂结构中N元素和Cl元素含量分别为4.7 wt%和1.27 mmol/g。用其催化水解预处理的纤维素,结果表明,当水解温度为130°C、水解时间为3 h以及催化剂用量为0.3 g时,TRS产率达到71.2%;使用再生后的固体酸催化剂得到的TRS产率依然可以达到70.8%。对其水解动力学分析可知,水解纤维素和TRS分解所需要的表观活化能分别为39.0 k J/mol和93.6 k J/mol,这比浓硫酸和活性炭水解纤维素需要的表观活化能要小。