木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源,其主要成分是纤维素、木质素和半纤维素。将纤维素水解生成平台化合物—葡萄糖,并进一步生产液体燃料和工业化学品逐渐受到人们的重视。同时,以木质纤维素为原料制备碳基固体酸来催化这一水解过程,则实现了可再生资源的多重利用,已成为近年的研究热点。然而,从已发表的文献中发现,在制备碳基固体酸的碳源中,木质纤维素原料的选择颇具盲目性,且催化剂构效关系的研究不深入。不同的木质纤维素其各组分含量各不相同,结构必然有所差异,而碳源的结构对碳基固体酸的结构和性能影响很大。此研究缺陷势必影响到生物质碳基固体酸的进一步研发和应用。鉴于此,本论文以木质纤维素中含量最高且结构截然不同的两种组分—纤维素、木质素为原料,采用单独碳化、混合碳化等途径制备碳基固体酸,将其应用于纤维素水解反应中。通过TG-DTG、XRD、FT-IR、XPS等手段对原料热解过程、碳载体和催化剂的结构进行表征。系统考察了制备条件,纤维素和木质素的相对含量,碳化过程中的升温速率以及木质素预氧化等对相应的碳基固体酸结构及水解性能的影响。所得主要结论如下：1.纤维素基固体酸(CCSA)、木质素基固体酸(LCSA)和混合基固体酸(MCSA)均是具有一定石墨化程度的稠环芳香碳片层结构,其边缘负载有-SO3H、-COOH和酚-OH,三者均在磺化过程中产生,并含有一些烷基侧链如-CH3和桥键如-O-、-C=O等。2.与LCSA相比,CCSA中含有较多的脂肪侧链和桥键,芳香碳层片在空间的排列更加灵活无序,-SO3H、-COOH和酚-OH密度均普遍高于LCSA。碳基固体酸的吸附能力主要由酚-OH含量和催化剂的芳香碳片层结构所决定,在-SO3H基团和催化剂吸附能力的协同作用下,CCSA的水解活性优于LCSA。3.碳化温度对两种催化剂的结构和性能影响很大。随温度的升高,催化剂的结构更加规整有序,各酸性基团密度逐渐减小,催化剂的吸附能力及水解活性均是先升高后降低。因原料结构不同,CCSA和LCSA的最佳碳化温度不同,分别为410℃、380℃。碳化时间和磺化时间仅对-OH、-COOH密度影响较大,碳化6 h、磺化1 h便能得到活性和稳定性较高的催化剂。4.随纤维素含量的增加,纤维素与木质素共热解由相互抑制到相互促进转变,纤维素含量为50%时,处于转折点。正是这种相互作用使得MCSA芳香碳层片在空间排列的无序度增加,无序度的增加降低了空间位阻,明显提高了催化剂的吸附能力和水解活性。在纤维素含量为50%时,MCSA的吸附能力和水解活性最高,且水解活性几乎与CCSA相当。5.减小升温速率,LCSA碳片层的缩聚程度增加,碳载体磺化反应性增强,磺酸基稳定性增加,催化剂的吸附能力和水解活性增强。减小升温速率使得纤维素与木质素共热解的相互作用增强,随二者比例的变化,MCSA的结构变化更加明显。重要的是,MCSA的吸附能力和水解活性均高于CCSA和LCSA,但仍然在纤维素含量为50%时达到最大值。6.木质素氧化后再碳化对LCSA的结构影响很大,芳香碳层片在空间的排列更加灵活无序,碳载体磺化反应性增强,LCSA的吸附能力和水解活性显著提高。但木质素需要适度氧化,温度为40℃时氧化程度最为适宜。7.烷烃侧链是-COOH的来源并可提高碳载体的磺化活性,但其在催化剂中的含量过多可增加空间位阻,并形成疏水的微环境,不利于碳基固体酸对纤维素的吸附和水解。8.较大的层间距,较多的桥键结构,适度的碳片层尺寸可使芳香碳层片在空间的排列更加灵活和无序,降低空间位阻,提高碳载体的磺化反应性,增加磺酸基的稳定性,从而可显著改善碳基固体酸的吸附能力和水解活性。