能源与资源始终是人类社会发展的重要基石,20世纪中期以来随着石油、煤炭等化石资源储量的逐渐降低,寻找可再生替代资源的需求日益紧迫和严峻。生物质作为一种可再生资源再次进入人们的视野,因来源广泛、成本低廉等优势使其在制备高附加值化学品、燃料和材料等方面具有巨大的潜力。与陆生生物质相比,微藻因其光合效率高、不含木质素、可根据需求定向培养等独特优势吸引了研究者的广泛关注。根据微藻自身特点并结合水热催化的优势,本文率先提出富糖微藻水热催化制备重要小分子含氧化学品的研究设想,以自主培养的富糖栅藻（碳水化合物为50.6%）为原料,利用开发的Sn-Beta/甲酸、H-ZSM-5等双功能催化剂水热催化制备乳酸和5-羟甲基糠醛（HMF）等平台化合物,分析了水热催化反应因素的影响规律,明晰了富糖微藻结构与成分的作用机制,深入探究了富糖微藻水热催化制备乳酸和HMF的反应机理,从而为微藻水热催化转化制备含氧化学品提供理论基础。第一,基于自主设计Sn-Beta/甲酸双功能催化剂水热催化富糖微藻制备乳酸。结果表明,在反应温度483 K,富糖微藻初始浓度1.0 wt%,初始4.0 MPa氦气压力下反应2 h,乳酸收率最高达83.0%。相同反应条件下,以葡萄糖为原料乳酸的收率仅为64.7%,微藻与之相比提高了18.3%。通过对比Sn-Beta和甲酸这两种催化剂发现,以Sn-Beta为催化剂时微藻催化转化制备乳酸的收率很低,仅为7.4%,而少量甲酸的加入即可实现乳酸收率的明显提升。催化剂的循环实验结果表明,乳酸收率保持相对稳定且反应前后甲酸的浓度并未发生明显变化。通过ICP对反应后的溶液进行分析,未检出Sn元素,XRD结果表明Sn-Beta分子筛的结构也未发生明显变化。第二,甲酸“诱导”下富糖微藻缓释水解与水热催化反应机理。通过对富糖微藻的TEM分析表明,其细胞外层是一层较厚的细胞壁,而碳水化合物在细胞质中以淀粉粒的形式存在;以富糖微藻为原料时,在甲酸催化下溶液中葡萄糖浓度较低且相对稳定,这表明甲酸的加入能够逐步瓦解以纤维素为主要成分的细胞壁,使富糖微藻中的葡萄糖缓慢释放并维持一定浓度,这有利于减少葡萄糖发生团聚的副反应从而提高了乳酸的收率。甲酸通过进攻富糖微藻的细胞壁使其“缓释”出葡萄糖,葡萄糖在Sn-Beta的催化下经由异构化生成果糖,果糖再在Sn-Beta的催化下发生逆羟醛缩合生成C₃化合物,C₃化合物经过异构和再水合等反应最终生成乳酸。初步研究了Sn-Beta催化葡萄糖制备乳酸的反应动力学模型,在Sn-Beta催化下葡萄糖制备乳酸的表观活化能约为20.30 kJ·mol^-1。第三,基于双功能催化剂H-ZSM-5富糖微藻水热脱水制备HMF。在473 K,1 wt%初始微藻浓度,4.0 MPa氦气压力下反应2 h,HMF的收率最高为40.6%。通过富糖微藻破壁实验发现,破壁前后HMF收率变化不大,说明H-ZSM-5可有效破坏微藻细胞壁。H-ZSM-5水热催化葡萄糖所得主要为HMF的脱羧产物乙酰丙酸（LA）,这表明富糖微藻的成分影响了水热催化过程。以葡萄糖为模型化合物研究甘油三酯和氨基酸对水热催化过程的影响,结果表明甘油三酯的加入能够提高HMF的收率,降低LA的收率。催化剂的循环实验表明反应后的催化剂结构基本未变,而HMF的收率略有降低,但经过焙烧还原后HMF的收率再次回升。总之,采用自主设计的Sn-Beta/甲酸及H-ZSM-5高选择性水热催化富糖微藻制备乳酸和HMF等平台化合物,有机酸诱导的微藻“缓释”水解机制、微藻成分作用规律和水热催化反应机理的研究将为富糖微藻水热催化制备重要含氧化学品提供借鉴和参考。