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催化转化自然界广泛存在的木质纤维素资源制高附加值燃料和化学品,在一定程度上缓解人类对不可再生化石燃料的依赖,已成为化学学科一个极为重要的发展共识和基础研究方向。生物质平台化合物5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制可再生塑料单体2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是生物质增值利用领域中最受关注的反应之一。如何在绿色、温和的条件下实现该反应受到了研究者们广泛的关注。本论文首次发现Ru/HAP、Ru/MnxCe1Oy以及PtRu/HTn这三种钌基催化剂能够在以水为溶剂,O2或空气为氧化剂且无可溶性碱加入的条件下高效地催化氧化HMF制FDCA。本论文详细介绍了这三种催化剂的制备方法,考察了影响催化剂性能的各种反应参数,最后结合催化剂的物理化学表征结果,讨论并建立了钌基催化剂上HMF氧化制FDCA的构效关联和反应机理。本论文中的羟基磷灰石(HAP)载体是商品化试剂,MnxYCe1OY复合氧化物载体以及HTn水滑石载体通过共沉淀法制备得到。Ru纳米粒子以及PtRu合金纳米粒子通过NaBH4还原贵金属胶束前驱体溶液得到。通过PVP对纳米粒子进行包裹,限制其粒径大小并高分散地吸附到载体表面,制得Ru/HAP、Ru/MnXe1OY以及PtRu/HTn催化剂。Ru/HAP催化剂的催化性能主要受到HMF/Ru摩尔比,O2压力,反应温度以及反应时间的影响。当HMF/Ru摩尔比为25,氧气压力为1 MPa,反应温度为120℃,反应时间为24 h时,该催化剂能够实现HMF的完全转化且得到99.6%产率的FDCA。动力学研究表明在Ru/HAP催化剂上HMF氧化制FDCA为多步骤反应、反应的最后一步(FFCA→FDCA)为该反应的决速步骤。论文采用了 ICP-MS、XRD、N2物理吸脱附、NH3/C02-TPD、TEM以及XPS表征技术对催化剂的各种物理化学性质进行了研究。表征结果显示,高分散于HAP载体表面的Ru0纳米粒子以及HAP表面的酸碱性位点是该催化剂能够实现无碱氧化HMF制FDCA的关键因素。Ru0物种的部分氧化是造成催化剂失活的主要原因。通过H2还原处理后,催化剂能够恢复活性。通过实验以及表征,本论文提出了 Ru/HAP催化剂上HMF氧化制FDCA可能的催化反应机理。Ru/MuxCe1OY催化剂的催化性能受到Mn/Ce摩尔比以及各反应参数(HMF/Ru摩尔比、OO2压力、反应温度以及反应时间)的影响。Ru/Mn6Ce1Or催化剂显示出最优的催化性能,能够得到≥99%产率的FDCA以及相对较高的FDCA时空收率(5.3 moIFDCAmolRu-1 h-1)。动力学研究揭示了Ru/MnXCe1OY催化剂上HMF氧化制FDCA的反应路径以及决速步骤。本论文采用了 XRD、H2-TPR、O2-TPD、UV-Vis DRS、XPS以及TEM技术对催化剂进行了表征,揭示了 Ru/MnXCe1OY催化剂的体相以及表面性质。高分散于载体表面的Ru0纳米粒子(平均粒径为4.4 nm)在催化该反应时起到了关键性作用。Ru/Mn6Ce1OY催化剂具有良好催化性能的原因有:(1)Ru纳米粒子与载体间的强相互作用。(2)Mn-Ce氧化物间的协同效应。Ru/Mn6Ce1OY催化剂表面的Mn4+以及Ce3+物种含量较高,使得该催化剂具有较强的储氧以及氧迁移能力,从而导致该催化剂对于催化氧化HMF制FDCA这一反应具有优异的催化性能。该催化剂被循环使用8次以后未出现明显的失活现象。Ru0纳米粒子与载体间的强相互作用是该催化剂具有良好稳定性的主要原因。PtRu/HTn催化剂中Pt/Ru摩尔比以及Mg/Al摩尔比对催化剂的性能有着极大的影响。当Pt/Ru摩尔比为2,Mg/AI摩尔比为4,反应温度为100℃,空气压力为0.2 MPa,反应时间为24 h时,催化剂能够实现100%的HMF转化率以及99%的FDCA产率。动力学研究表明,在最优的Pt2Ru1/HT4催化剂上,HMF氧化为FDCA这一反应为多步骤反应,反应的最后一个步骤(FFCA→FDCA)为速率决定步骤。本论文在动力学控制区间内对Pt2RU1/HT4催化剂的稳定性进行了研究,发现该催化剂至少能够循环使用5次。本论文采用ICP-MS、N2物理吸脱附、XRD、CO2-TPD、XPS和TEM技术表征分析了催化剂上PtRu纳米粒子合金的结构特点以及HT载体的形貌结构和表面酸碱性,并对催化剂上氧化HMF制FDCA的构效关联进行了简单的分析。