随着全球能源的日益紧缺和环境的严重污染，开发安全、稳定、绿色和高效的新型催化材料变得愈发重要。多相催化材料由于其自身的很多优点，包括良好的循环再生性能等，对催化的发展越来越重要。但是，多相催化材料的活性一般要低于均相催化材料，这也限制了多相催化材料的应用。另外一方面，对化学反应本身的深刻研究有助于指导我们设计和制备出具有更加优异催化性能的新型多相催化材料。基于如上所述的背景，在本文中，我们开发了一系列新型的多相催化剂，使其在一系列催化反应中表现出优异的催化性能。在多相催化材料的设计合成探索上，主要做了如下几个方面的工作：（1）均相催化剂多相化合成吡咯烷酮修饰的SBA-15负载纳米金催化材料和Schiff碱修饰的介孔聚二乙烯基苯负载铜催化材料；（2）选用不同的载体，制备一系列金或者金-钯合金催化材料；（3）通过改变催化剂的亲疏水性质，调节反应底物对催化剂的润湿性，制备新型的固体酸催化材料；（4）通过设计特殊形貌的多相催化材料，减少反应过程中的传质限制作用，从而得到高的催化活性。同时，我们开展了多种催化反应，包括氧化、酸催化、生物质转化和偶联等反应，对合成的催化剂的催化性能进行研究，也对反应本身的机理进行了探索。均相催化剂在许多反应中表现出了很高的活性，这是由于它们是溶解在反应体系里面的，能和反应物有充分接触。正因为均相催化剂的溶解性，在反应结束后，很难将这类催化剂分离出来，这不仅增加了催化剂的成本和产生污染，产物的提纯和分离也是一个大问题。为了解决这些困难，用多相催化剂来取代均相催化剂是一个很好的选择。但是，多相催化剂暴露的活性中心数量要远远低于均相催化剂。此外，多相催化剂在反应过程中还有传质限制作用。因此，多相催化剂的活性远远的低于均相催化剂。设计合成具有高催化活性的多相催化剂是一个具有挑战性的工作。在本论文第二章中，我们选用介孔氧化硅（SBA-15）和多孔聚二乙烯基苯（PDVB）作为载体，分别对传统的可溶性的聚乙烯吡咯烷酮稳定的Au纳米粒子（Au/PVP）和均相的Schiff碱-铜（SB-Cu）催化剂进行多相化，得到新型的Au/SBA-15-Py和PDVB-SB-Cu多相催化剂。Au/SBA-15-Py对醇和烯烃的氧化表现出了非常高催化活性，仅略低于均相催化剂，这源于Py基团和金纳米粒子之间的相互作用，并且SBA-15的大比表面积有更利于得到高度分散的金纳米粒子。与Au/SBA-15-Py催化氧化反应相比，PDVB-SB-Cu催化Ullmann偶联反应的活性更加接近其对应的均相催化剂。这是因为PDVB-SB-Cu中的有机聚合物载体能够提供一个“有机的催化反应环境”，这更利于反应的进行。更为重要的是，Au/SBA-15-Py和PDVB-SB-Cu均表现出了优异的循环性能，这是均相催化剂所不具备的。这些工作对于通过均相催化剂多相化法制备新型多相催化剂提供了路线。直接将活性中心通过沉淀、离子交换等方法负载到固相载体上，也是制备多相催化剂一个重要的方法，这类方法非常适合大规模的催化剂生产。但是对于这一类催化剂，载体的类型、活性中心的流失情况、活性中心的形貌和状态等，都对催化剂的性能都很大的影响。因此，选择合适的载体和制备方法来得到具有优异催化性能的催化剂，依然是非常值得研究的课题。在本论文第三章中，我们首先选用层状结构的镁铝水滑石（LDH）作为载体，通过离子交换和还原步骤，得到LDH负载金纳米粒子催化剂（Au/LDH），Au/LDH在一系列醇的氧化反应中表现出了优异的催化性能，这是因为LDH对醇有很强的脱氢性能，这对醇的氧化反应有很大促进作用。另外，我们将金纳米粒子负载到镁铝复合氧化物上，得到Au/MAO催化剂，他能够有效的催化苯硼酸的偶联反应。这是首次报道的将负载型纳米金催化剂用于苯硼酸的偶联反应。同时，我们开展了一系列实验和理论化学计算工作，提出了金纳米粒子催化苯硼酸偶联反应的机理。为了有效控制起催化作用的纳米粒子的形貌，我们在Au/MAO催化剂中引入Pd物种，制得Au-Pd/MAO催化剂。这种Au-Pd合金纳米粒子具有更丰富的边角结构，并且在苯甲醇和甘油的氧化反应中有非常高的催化活性和非同寻常的产物选择性。另外，考虑到目前围绕金催化剂的研究多数都是针对粒径非常小的金纳米粒子，我们首次将带有丰富正电荷的大块金粒子用于苯乙烯的氧化反应，并且这种大块金的催化活性比小粒子更高。生物质作为一种可再生的能源，近年来被广泛的研究。但是，选择性的转化生物质来制备附加值高的化学品还是一个重要的挑战，因为生物质本身组成复杂，催化反应过程中副反应多，会生成很多没用的副产物。果糖转化制备5-羟甲基糠醛（HMF），就是一个典型的生物质转化制备高附加值化学品的过程。考虑到催化剂的循环再生性能，研究者们已经开发了许多多相固体酸催化剂来催化这一类反应。在这些催化过程中，都有一个重要的问题，就是HMF会被继续被酸催化分解，生成乙酰丙酸和甲酸。如同上面所讲的，在这些多相催化剂的制备过程中，选择固体载体的标准一般包括比表面积、稳定性和表面基团情况。因为大的比表面积更易将活性中心分散，良好的稳定性能够是催化剂的结构在反应过程中不被破坏，表面的官能团能决定它和活性中心的作用情况。但是，载体的亲疏水性一般都被忽略。其实载体的亲疏水性对反应的影响非常大，尤其是对于水合反应或者脱水反应。在本论文的第四章中，我们通过对HFM的水解反应进行理论计算分析，得出如果能控制反应体系中的水分子和酸中心在一定的距离之外，便可以彻底杜绝HMF的水解反应。根据这个结果，我们采用共聚的方法制备具有超疏水性能的P-SO₃H催化剂。在催化果糖脱水制HMF的反应中，P-SO₃H给出了接近100%的HMF产率，这是因为P-SO₃H具有超疏水性能，能够阻止HMF继续水解，这与前面理论计算的结果一致。同时，基于这些发现，我们进一步制备了超亲水的磺化碳材料，这类材料在水解反应中表现出了比传统的固体酸催化剂更优异的活性。这是因为超亲水的碳载体能够将反应物之一的水富集到活性中心周围，从而提高了反应速率。正如我们在上面所介绍的，调节催化剂的形貌是制备高活性催化剂的一个有效办法。对于多相催化剂来说，反应过程中的传质限制作用也是其活性低于均相催化剂的一个重要原因，如果能设计特殊的催化剂形貌来有效的减少传质限制，将会对提高催化剂活性大有帮助。在本论文的第五章中，我们合成了具有空心球状结构的碳材料（HSC），经过磺化处理之后，我们在HSC上引入了酸中心，制备出HSC-SO₃H催化剂。HSC-SO₃H在甘油和丙酮的缩合反应中表现出了优异的催化性能，这是因为HSC的碳壳很薄，并且碳壳上有很丰富的微孔。与传统的多孔结构的催化剂相比，这种特殊的结构很有利于催化反应过程中的反应物和产物的扩散，几乎没有传质的限制。