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随着传统化石能源的迅速枯竭，环境问题和能源危机日益严峻，开发绿色可再生资源对人类可持续发展具有重要意义。木质纤维素生物质储量丰富、价格低廉，能够转化为多种高附加值化学品和液体燃料，因此有望取代化石能源。半纤维素是木质纤维素生物质的重要组成部分，经过一定的技术手段，能够转化为糠醛、糠醇、乙酰丙酸等重要的生物质基平台化合物。
本研究制备了三种功能化氧化硅固体酸催化剂：磺酸功能化坡缕石催化剂（PAL-SO3H）、负载铜的二氧化硅纳米花催化剂（Cu-SiNF）、磺酸功能化氧化硅纳米花催化剂（SiNF-SO3H）。通过一系列表征手段考察其结构特征，并将它们分别用于半纤维素-糠醛-糠醇-乙酰丙酸的三步催化试验中。考察了各项关键实验参数对反应的影响，最终确定最佳反应条件。论文的研究内容如下：
（1）采用机械化学法，在水溶液中高速搅拌，将3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）上的-SH基团嫁接到天然坡缕石（PAL）表面，然后在温和条件下将-SH氧化为-SO3H，从而得到PAL-SO3H。采用SEM、TEM、元素分析、XPS、29Si CP/MAS NMR对所制备的PAL-SO3H催化剂进行表征。将其应用于生物质木糖合成糠醛的催化反应中，考察了反应溶剂、γ-戊内酯（GVL）溶剂中的含水量、反应温度和时间、木糖初始浓度对反应的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了良好的催化活性：在GVL-水均相溶剂中，180℃下反应60min，糠醛产率可达87%。且PAL-SO3H催化剂即使在120g/L的高木糖初始浓度下，依然能够表现出良好的催化性能。将该催化剂用于木聚糖的催化转化，得到了高达83%的糠醛产率，且具有良好的循环稳定性。
（2）采用微乳液法，在水-表面活性剂-油三元体系中合成了具有褶皱结构的蒲公英状单分散的二氧化硅纳米花载体（SiNF）。使用浸渍-还原法将Cu单质均匀地负载到纳米花表面，从而得到Cu-SiNF催化剂。采用SEM、TEM、EDX-Mapping、ICP-OES、XRD对所制备的Cu-SiNF催化剂进行表征。将其应用于糠醛合成糠醇的催化反应中，考察了铜负载量、反应溶剂、反应温度和时间、氢气压力、催化剂用量对反应的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了优异的催化活性和选择性：在乙醇溶剂中，铜负载量为5%的Cu-SiNF催化剂在180℃下反应60min，糠醇产率接近100%。
（3）以SiNF为载体，用回流法将MPTMS中的-SH基团嫁接到纳米花表面，然后在温和条件下将-SH氧化为-SO3H，从而得到SiNF-SO3H。采用SEM、TEM、元素分析、XPS、XRD、N2吸附脱附曲线对所制备的SiNF-SO3H催化剂进行表征。将其应用于糠醇合成乙酰丙酸的催化反应中，考察了乙酰丙酸在溶剂中的稳定性，和反应溶剂、γ-戊内酯（GVL）溶剂中的含水量、反应温度与反应时间、催化剂用量、糠醇初始浓度对乙酰丙酸生产的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了良好的催化活性：在GVL-水双相溶剂中，120℃下反应150min可获得90%的乙酰丙酸产率。
本论文为功能化固体酸催化剂的合成提供了绿色、易操作的新方法，为半纤维素生产乙酰丙酸提供了高效、高选择性的催化策略。
本研究制备了三种功能化氧化硅固体酸催化剂：磺酸功能化坡缕石催化剂（PAL-SO3H）、负载铜的二氧化硅纳米花催化剂（Cu-SiNF）、磺酸功能化氧化硅纳米花催化剂（SiNF-SO3H）。通过一系列表征手段考察其结构特征，并将它们分别用于半纤维素-糠醛-糠醇-乙酰丙酸的三步催化试验中。考察了各项关键实验参数对反应的影响，最终确定最佳反应条件。论文的研究内容如下：
（1）采用机械化学法，在水溶液中高速搅拌，将3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）上的-SH基团嫁接到天然坡缕石（PAL）表面，然后在温和条件下将-SH氧化为-SO3H，从而得到PAL-SO3H。采用SEM、TEM、元素分析、XPS、29Si CP/MAS NMR对所制备的PAL-SO3H催化剂进行表征。将其应用于生物质木糖合成糠醛的催化反应中，考察了反应溶剂、γ-戊内酯（GVL）溶剂中的含水量、反应温度和时间、木糖初始浓度对反应的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了良好的催化活性：在GVL-水均相溶剂中，180℃下反应60min，糠醛产率可达87%。且PAL-SO3H催化剂即使在120g/L的高木糖初始浓度下，依然能够表现出良好的催化性能。将该催化剂用于木聚糖的催化转化，得到了高达83%的糠醛产率，且具有良好的循环稳定性。
（2）采用微乳液法，在水-表面活性剂-油三元体系中合成了具有褶皱结构的蒲公英状单分散的二氧化硅纳米花载体（SiNF）。使用浸渍-还原法将Cu单质均匀地负载到纳米花表面，从而得到Cu-SiNF催化剂。采用SEM、TEM、EDX-Mapping、ICP-OES、XRD对所制备的Cu-SiNF催化剂进行表征。将其应用于糠醛合成糠醇的催化反应中，考察了铜负载量、反应溶剂、反应温度和时间、氢气压力、催化剂用量对反应的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了优异的催化活性和选择性：在乙醇溶剂中，铜负载量为5%的Cu-SiNF催化剂在180℃下反应60min，糠醇产率接近100%。
（3）以SiNF为载体，用回流法将MPTMS中的-SH基团嫁接到纳米花表面，然后在温和条件下将-SH氧化为-SO3H，从而得到SiNF-SO3H。采用SEM、TEM、元素分析、XPS、XRD、N2吸附脱附曲线对所制备的SiNF-SO3H催化剂进行表征。将其应用于糠醇合成乙酰丙酸的催化反应中，考察了乙酰丙酸在溶剂中的稳定性，和反应溶剂、γ-戊内酯（GVL）溶剂中的含水量、反应温度与反应时间、催化剂用量、糠醇初始浓度对乙酰丙酸生产的影响，以及催化剂的循环性能。该催化剂表现出了良好的催化活性：在GVL-水双相溶剂中，120℃下反应150min可获得90%的乙酰丙酸产率。
本论文为功能化固体酸催化剂的合成提供了绿色、易操作的新方法，为半纤维素生产乙酰丙酸提供了高效、高选择性的催化策略。