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实现发展的可持续化以及能源的绿色、可再生是应对化石能源枯竭、环境污染等问题的有效途径。生物质是一种绿色、可再生的碳资源;生物质储量巨大，再生速度快。作为地球上唯一可以转化为常规的液态、固态、气态燃料和其它精细化学品的可再生资源，生物质资源引起了世界各地的广泛关注。在当前生物质转化利用中，将生物质纤维素经“酸催化”分解为简单的平台化合物分子，再将平台化合物经“加氢/脱氧”过程转化为所需的产品是有效路径之一。 乙酰丙酸(LA)是最具竞争力的12种生物质基平台化合物之一，它主要由纤维素在酸性条件下高效水解而得，LA的催化转化是生物质转化利用的桥梁和纽带。以LA为原料经加氢可以制备多种化学品，其中就包括γ-戊内酯(GVL)。GVL具有优良的物理化学性质，用途广泛，可作为绿色溶剂、食品添加剂及燃料添加剂使用，以GVL为原料可以制备更高能量密度的液体燃料（如C6-C8烯烃燃料、戊酸酯等）及高附加值化学品（如1，4-戊二醇、己二酸等）。目前对于催化乙酰丙酸加氢制备GVL已有大量的研究报道，然而在催化反应过程中仍然存在一些尚未明确的基本科学问题，还有一些急需解决的工艺及技术障碍。在生物质转化利用过程中水的存在是不可避免的，在一些催化反应过程中它是反应物或产物，在一些过程中是必不可少的溶剂。这一点在LA的转化利用过程中尤其突出。在工业化生产中LA是由纤维素在水相体系经强酸（如浓硫酸）催化水解制备而得，生成的LA经多步分离提纯才能进入下一步的加氢过程;如果能在水相酸环境下将LA高效催化加氢生成GVL，无疑有利于节约分离成本，也降低了反应过程所需的能耗。但是这对于催化剂而言无疑存在巨大的挑战，目前所用的催化剂体系，尤其是酸性水相中，存在活性组分流失/中毒、载体结构不稳定等问题，最终导致催化剂的失活。因此，设计和开发在酸性水相中高稳定、高活性的加氢催化剂体系尤为重要。另外，在LA水相加氢制备GVL的报道中，水对反应过程影响很大，但水影响反应过程的本质尚无深入透彻的研究。 鉴于上述问题，本论文针对水相体系中LA加氢制备GVL反应的特点，以Ru-基催化体系为研究对象，首先深入研究溶剂水在LA加氢过程中的作用本质;并通过深入研究活性组分Ru与载体之间的相互作用以及这些相互作用对Ru的结构和电子性质的调控，来认识催化剂的构效关系;最终基于上述理解和认识，设计和开发了一系列高稳定性、高活性的Ru-基催化剂体系。论文主要研究结论如下: (1)开发了一种高效、可在酸性水相条件下循环使用的负载型Ru/TiO2催化体系，并首次清晰阐明了水在LA加氢反应过程中的作用。研究发现Ru/TiO2催化剂在乙酰丙酸加氢过程中表现出了优异的催化性能，在70℃条件下，产物GVL的收率为99.9％，催化剂的本征活性(TOF)高达7676h-1。催化剂的结构表征分析表明，载体TiO2与活性金属Ru之间存在强的相互作用，这种强的相互作用促进了活性金属Ru在载体上的分散及稳定，从而提高了加氢活性。更为重要的是，研究发现水相中LA的加氢效率最高，水的加入明显促进了加氢反应。利用重水(D2O)同位素标记实验，质谱GC-MS、核磁(1HNMR13CNMR)等多种表征手段，首次证实在LA加氢过程中，水的促进作用源于水中的H直接参与了乙酰丙酸中-C=O基的加氢反应。 (2)水相中多数金属氧化物载体不稳定是由于其表面富含羟基（-OH），使得载体极易与水发生再水合，使载体结构坍塌，金属与载体间相互作用减弱，使得活性金属聚集长大，导致催化剂失活。基于上述认识，本论文设计通过硅烷化方法将载体表面的羟基(S(support)-O-H）转化为稳定的S-O-Si共价键，开发高稳定性、高活性的固载型Ru基催化剂。选用水相中稳定性最差的γ-Al2O3作为模型，利用有机硅偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)与γ-Al2O3表面裸露的-OH发生缩合反应生成稳定的Al-O-Si共价键，提高γ-Al2O3的水热稳定性;同时，利用KH550中端基-NH2官能团与活性金属Ru之间的络合作用促进Ru的分散，调变其电子状态，改变催化剂的活性。研究发现，经表面改性之后，KH550-modified-γ-Al2O3的水热稳定性明显提高;与负载型Ru/γ-Al2O3催化体系相比，固载型Ru-NH2-γ-Al2O3催化剂中活性金属Ru的分散得到了显著提高，其颗粒平均大小在1.2nm左右，约为负载型Ru/γ-Al2O3催化剂中纳米Ru颗粒尺寸的十分之一;Ru-NH2-Al2O3催化剂的加氢活性是负载型Ru/γ-Al2O3催化剂的7倍;同时，有机硅对载体的表面改性及官能团-NH2对活性金属Ru的锚定作用显著提高了Ru-NH2-γ-Al2O3催化剂的稳定性，甚至在硫酸(0.5M)存在下也显示出优异的稳定性，因此在工业上具有潜在的应用价值。此外，研究发现，Ru-NH2-γ-Al2O3催化剂表现出远高于Ru/γ-Al2O3的低温加氢性能，在25℃的温和条件下也能高效催化加氢反应，GVL的收率高达99.1％，催化剂的本征活性TOF值可达306h-1。表征结果显示Ru-NH2-γ-Al2O3催化剂高的低温活性源自于KH550中端基-NH2官能团与活性金属Ru之间的络合作用使Ru处于富电子状态。 (3)鉴于对供电子的-NH2官能团向Ru转移电子，使Ru处于富电子状态，从而有利于提高催化剂的低温加氢活性的认识，选择富含π电子的石墨烯为载体，利用石墨烯丰富的离域π电子来有效促进其与金属Ru活性位之间的电子传递和反馈，这将有利于降低金属活性位的功函，有效促进金属活性位与吸附的反应物分子间的电子转移，降低催化反应的活化能和催化所需的温度。通过原位还原法制备新型Ru/RGO（石墨烯）催化剂。研究发现，与其它负载Ru基催化剂相比，Ru/RGO在LA加氢反应中具有超强的低温催化加氢性能，在常温下即可高效催化LA加氢反应，LA的转化率可达100％，选择性高达99.9％;甚至在-10℃的条件下，该催化剂可以高效催化LA加氢反应，目标产物GVL收率高达70.5％，这是目前多相催化加氢反应中所报道的最低温度。动力学研究发现，与Ru/AC催化体系相比，在Ru/RGO催化下乙酰丙酸加氢反应的表观活化能更低(66.01kJ/mol)，与均相催化反应体系相当，本征活性是Ru/AC催化体系的5倍。XPS表征证实Ru0金属活性位与石墨烯载体间具有强的电子相互反馈作用，使Ru0处于富电子状态;原位红外表征证实处于富电子状态的Ru0更有利于羰基的活化及加氢。同时，在其它含羰基化合物（如糠醛，20℃，TOF137h-1）的加氢反应过程中，Ru/RGO表现出强的低温加氢能力，表明Ru/RGO对羰基化合物加氢具有强的普适性。