我国水生生物质资源丰富,尤其是生态修复后的水生植物,具有巨大的开发利用潜力。然而,目前的处理方式效率较低,而且缺乏高值化利用途径。生物质精炼工程,即利用可再生植物资源,通过生物转化技术或热化学裂解技术制备高附加值能源、化学品或功能性材料。由于与其他碳水化合物相比,5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸等生物质基化学品更容易由果糖转化而成,因此葡萄糖异构化对生物质精炼工程具有重要意义。探索新工艺实现水生植物的资源化利用、葡萄糖的高效异构转化,对我国建立低碳型能源系统和改善化工领域过度依赖化石资源的现状具有重大意义。本研究通过水热炭化技术制备了水葫芦水热炭,通过尿素改性和煅烧活化处理合成了对葡萄糖异构反应具有高催化活性的水热炭基催化剂,阐明了水热炭化、尿素改性及煅烧活化对水热炭及水热炭基催化剂理化性质的影响机制,并结合机器学习方法及可解释性算法,解析了调控酸性及碱性水热炭基催化剂催化葡萄糖异构化效率的关键机制和重要交互效应。本论文的研究成果可为水生植物的高值利用以及葡萄糖的高效异构提供新的方法和理论依据。主要研究内容和结论如下:（1）水葫芦水热炭的制备及尿素改性机理研究。以生态修复后的水葫芦为原料,通过水热炭化技术制备水热炭,并引入尿素优化水热炭的物化特性,探究水热温度及尿素浓度调控水热炭理化性质的机制。结果表明,水热温度为240℃,有利于生成孔隙结构丰富（尤其是大孔及介孔结构）及微观形貌均匀的水热炭。在水热炭化过程中,引入0.5 mol/L的尿素溶液,可以有效促进成核和生长进程,形成尺寸均匀、单分散性强的炭微球,并且通过高温下尿素溶液分解产生的氨气及二氧化碳气泡,在固体产物上形成空间占位,丰富水热炭的孔隙结构,尤其是大孔及介孔数目,优化水热炭的物理性能。此外,尿素溶液通过促进水葫芦内源碱土金属钙的结晶及在水热炭表面形成高活性的含氮官能团（如酰胺、季铵等）,丰富了水热炭外表面及内表面的活性位点,提高了其化学活性。本研究为水生植物高效转化为高值功能炭提出了一种成本低廉、环境友好且普适性强的工艺。（2）水热炭煅烧活化制备异构催化剂及其性能研究。以尿素改性水热炭为原料,通过煅烧活化法制备具有特殊微观形貌及优异理化性质的水热炭基催化剂,解析煅烧温度与煅烧环境含氧量调控水热炭基催化剂理化性质的机制。以葡萄糖异构化为指示反应,评价水热炭基催化剂的催化性能,解析活性中心位点与催化机理。结果表明,在化学性能方面,煅烧活化处理使水热炭中的钙盐进一步富集,增加了水热炭基催化剂内部活性中心的数量。此外,促使弱碱性的草酸钙转化成适中碱性的碳酸钙,增强了水热炭基催化剂的碱性。该过程还通过引入氧元素,丰富了水热炭基催化剂表面的含氧官能团。由于含氧官能团与活性位点紧密连接,因此钙元素浸出造成催化剂失活的可能性大幅降低。在物理性能方面,煅烧活化处理保持了水热炭均匀的微观形貌,并进一步丰富了其孔隙结构。尤其在富氧氛围下煅烧,水热炭基催化剂内的大孔和介孔结构可大幅增加,确保反应物分子能够顺利接触位于催化剂内部的钙盐（活性位点）。此外,其对钙盐晶体也存在独特的刻蚀作用,会使实心块状的活性位点多层次镂空,增大反应物的可接触面积。性能最优的催化剂可在120℃的水相中45 min达到31%的果糖产率和89%的反应选择性,与通过复杂工艺掺杂贵金属的催化剂相当,并且该催化剂的催化活性在三次反应后无明显降低,具有优异的可回收性。本研究为葡萄糖异构制备果糖反应提供了一种全新的、环保经济的高效催化剂。（3）可解释性机器学习解析水热炭基催化剂催化葡萄糖异构机理。通过采集近五年应用水热炭基催化剂催化葡萄糖异构化文献的原始数据,形成了包含120组酸性水热炭基催化剂实验及52组碱性水热炭基催化剂实验的数据集。利用集成算法XGBoost系统地绘制了以催化剂制备参数、物化性能及催化条件为自变量,以催化结果为因变量的函数。优化处理后的机器学习模型可以较好地预测催化结果,在测试集上的拟合度（R~2）分别达到0.9067及0.8167。利用部分依赖分析及SHAP分析,对构建的机器学习模型进行了深度解释,厘清了酸性及碱性水热炭基催化剂催化葡萄糖异构化的关键调控机制及重要交互效应。结果表明,对外源负载铝金属的酸性水热炭基催化剂而言,通过调控氧元素的半峰宽使其大于2.83 e V,可将负载金属与水热炭以特定形式耦合,转化为有效的催化活性位点。此外,通过适当增加铝金属的负载量可以提高催化活性。对内源钙金属结晶的碱性水热炭基催化剂而言,催化温度低于130℃可有效减少副反应。此外,通过丰富水热炭载体上的大孔和介孔结构,可有效提高活性位点的可及性,提高葡萄糖异构化效率。本研究为定向调控及优化水热炭基催化剂提供了新的思路和依据,为生物质精炼领域的机器学习应用提供了良好范本。