玉米秸秆厌氧发酵工业化制沼气是实现秸秆高值清洁利用的有效途径。秸秆致密的刚性结构和复杂的化学组分是制约其转化的关键因素，而厌氧发酵中挥发酸的组成及含量直接决定了沼气产量。本研究着眼于秸秆沼气化中水解和厌氧产酸发酵两个关键过程，探索一种催化水解和厌氧发酵营养金属离子共利用的新方法，重点研究营养盐对玉米秸秆催化水解影响规律，揭示营养盐对玉米秸秆纤维素和半纤维素的催化作用机制，探讨营养盐在水解和厌氧产酸发酵两个关键过程的匹配性，旨在为玉米秸秆低成本高效转化提供核心基础理论与关键技术支持。
　　利用联合强度因子和响应面优化法，对比分析了FeCl2、NiCl2和CoCl2等三种典型营养盐在多元参数耦合条件下对玉米秸秆的催化水解性能，发现FeCl2具有优异的催化能力，且对半纤维素水解效果显著，而温度是影响营养金属盐水解效果的关键因素，营养盐浓度则影响强度较弱。金属盐溶液的酸度及阳离子特殊的化学性质对提升催化水解效果均起到关键作用。采用Saeman模型分析了FeCl2催化玉米秸秆半纤维素水解的反应动力学，得出Saeman模型能够模拟并预测FeCl2催化玉米秸秆半纤维素的水解过程。
　　根据厌氧发酵对营养金属元素的最小量需求，探索了超低浓度FeCl2对玉米秸秆的催化水解作用，发现1×10-5mol/LFeCl2在180℃下作用10min，可使97.63%的半纤维素和30.71%的纤维素发生水解转化，木糖回收率达94.46%，5-HMF和糠醛的产量分别为0.31g/100g和1.53g/100g，仅占液相产物总量的4.36%，水解液中82.68%的有机物可用于后续厌氧发酵。
　　基于量子化学密度泛函理论，探讨了高基组水平上纤维素在铁离子作用下的水解反应机理。根据微观动力学吉布斯自由能，结合活化能与反应焓变，发现铁离子复合物与氧原子结合的两条可能路径均会生成不同过渡态，且O?H键或C?OH键会断裂形成H2O，C3?O22键均会发生断裂从而导致纤维素降解。
　　基于以上营养金属盐对玉米秸秆催化水解效果及作用机制分析，开展了金属盐水解与厌氧产酸发酵两个关键过程的匹配性研究，得出FeCl2、CoCl2和NiCl2三种营养盐催化水解液促进了挥发性短链脂肪酸的产生，并加速了产酸发酵进程；对比分析了FeCl2、CoCl2和NiCl2单独或联合催化反应的水解液在厌氧系统中所产生挥发性短链脂肪酸的浓度，结合物料分析表明，采用超低浓度FeCl2的营养盐离子共用技术具有显著的投入/产出优势，并对玉米秸秆制沼气关键过程起到了增效作用。