木质素具有芳香族主链,作为一种可再生资源,是自然界中最丰富的碳资源之一,可用于生产有价值的基础燃料和精细化学品,有望成为石油的潜在替代品。但截至目前,我国90%以上的生物质资源未被高值利用,其中木质素的利用率更低,这既浪费了资源又对环境造成了污染。木质素三维网状的复杂化学结构使其芳香单体难以解聚,这极大地限制了木质素的广泛利用。木质素一般由对香豆醇、松柏醇和芥子醇三种醇类单体组成,这些单醇又以羟基苯基（H）、愈创木基（G）和紫丁香基（S）三种基本结构单元和苯丙烷单元的形式聚合成木质素。苯丙烷单元相互连接形成Cβ-O键和C-C键。木质素中富含大量的芳基醚、脂肪族和芳香族化合物,它们相互连接使木质素具有坚硬的结构。因此,将木质素有效解聚并转化为有价值的化合物是当前的研究重点。作为催化转化的核心,有针对性地设计、制备与筛选性能卓越的功能催化剂断裂木质素中的C-O键是本研究的重中之重。催化加氢脱氧（HDO）是通过脱氧和裂解反应有效断裂木质素中的C-O键,制备高附加值的燃料和精细化学品的一种方法。与传统的酸碱处理法相比,HDO避免了水资源的大量消耗,减小了对环境的污染,是一种很有前景的原子经济策略。由于木质素结构复杂,木质素降解过程中存在多种反应途径,且降解产物多,并容易再聚合,本论文先以木质素的单体（愈创木酚具有典型的Caromatic-O键）、二聚体（2-（2-甲氧基-苯氧基）-1-苯基乙醇物质（β-O-4）、2-甲氧基苯基苯甲醚（α-O-4）和4-苯氧基苯酚（4-O-5）,其中Cβ-O键占木质素总键能的50%）为研究对象,进行催化剂的设计与表征,并开展反应机理的研究,了解Caromatic-O键、Cβ-O键、α-O-4键和4-O-5键的断键机制。进而对真实秸秆木质素进行降解,通过高效催化剂的开发与制备,调控降解过程中温度和压力等影响因素以及对降解产物进行表征与分析,探究反应过程和C-C键和C-O（Caromatic-O和Cβ-O）键的断键机理,明晰反应机制。为了提高秸秆木质素降解产物的产率,用不同方法先对其进行了预处理。此外,对秸秆木质素降解主产物4-乙基愈创木酚进行了增值转化,以获得更高价值的燃料或化学品。第一部分,（1）通过共沉淀法、浸渍法、溶胶凝胶法和氨挥发法制备得到10Ni/H-ZSM-5催化剂,并将其应用于木质素典型的单体和二聚体的研究。依据转化率,得出采用共沉淀法制备的催化剂性能最优,因此在催化剂的制备方法上均采用共沉淀法。（2）采用共沉淀法制备了 La2O3改性的双金属负载型催化剂 Ni-xLa2O3/H-ZSM-5,使用 XRD、N2吸附、TEM、H2-TPR、NH3-TPD 和 XPS等表征,确定其结构和空间构型,表明La2O3的引入改变了 Ni在H-ZSM-5上的分布状态,引起了电子转移,电子转移过程促使Ni、La2O3以及载体H-ZSM-5之间发生有效的相互作用,实现了在水相高选择性地断裂C-O键催化转化木质素单体愈创木酚生成环己醇,愈创木酚的转化率大于99%,环己醇的选择性为85%。进一步考察了 Ni-La2O3/H-ZSM-5对愈创木酚的HDO性能,研究表明La2O3的加入提高了 Ni/H-ZSM-5的加氢催化活性和对愈创木酚的转化率,Ni-3La2O3/H-ZSM-5表现出优异的催化活性,能有效断裂愈创木酚中的Caromatic-O键,且在水中利于产物环己醇的生成。机理研究表明,反应发生在Ni和H-ZSM-5的界面上,H-ZSM-5通过酸性位点吸附底物上的氧原子,Ni提供电子解离H2产生活性氢物种,通过电子转移与苯环相互作用有效切断愈创木酚中的Caromatic-O键。（3）为了提高选择性断裂Cβ-O键的能力,用共沉淀法制备了 CeO2促进的双金属催化剂Ni-CeO2/H-ZSM-5,研究了木质素二聚体β-O-4在Ni-CeO2/H-ZSM-5催化剂上的断裂机理和加氢活性。结果表明,引入CeO2活性相能有效地提高Ni/H-ZSM-5的催化活性,有利于β-O-4中Cβ-O键断裂形成乙苯。在Ni-10CeO2/H-ZSM-5催化剂上,β-O-4催化转化为乙苯的选择性最高（63.4%）,同时考察了催化剂Ni-CeO2/H-ZSM-5对木质素二聚体α-O-4和4-O-5的HDO性能。催化机理研究表明,CeO2的引入不仅有效地调控了脱水和氢解过程的变化,而且对选择性调节催化加氢过程中活性物种的氧化还原性质和表面价态也起着至关重要的作用。第二部分,（1）针对秸秆木质素的降解开展了深入的研究。优化了催化活性中心,选取加氢活性更强的Ru和过渡金属Ni作为双金属催化中心,制备了双金属负载型3Ni-1.5Ru/H-ZSM-5催化剂,通过双金属活性中心与适当路易斯酸位点的结合,在一锅法催化秸秆木质素转化单酚的实验中,实现了秸秆木质素中Cβ-O和C-C的有效裂解。应用在催化秸秆木质素的实验中,转化率可达88.1%,使用GC测定液相产物主要为单酚（产率为19.5%）,其中4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚的产率分别为4.9%和3.8%,占总挥发成分的44.7%。（2）以3Ni-1.5Ru/H-ZSM-5为催化剂,研究了秸秆木质素催化降解过程当中反应溶剂、反应温度、氢源和反应时间的影响,通过GC分析,得出最优反应条件为以异丙醇为溶剂,230℃、2.5 MPa H2反应4h。（3）2D-HSQC-NMR结果表明,230℃下反应4 h,秸秆木质素中的β-O-4片段几乎完全转化,反应机制表明Ni和Ru之间电子的转移以及H-ZSM-5酸性位点共同提升了 3Ni-1.5Ru/H-ZSM-5催化剂的氢解性能。单酚产物的分布与金属和金属载体的协同作用密切相关,此外探讨了反应后催化剂失活的原因。系统地研究揭示了木质素降解的可能反应途径,首先断裂C-C键和C-O键形成中间产物,然后进一步断裂C-O键形成单酚（即4-乙基苯酚和4-乙基愈创木酚）。（4）为了进一步提高秸秆木质素转化产物单酚的产率,用四种不同的预处理方法对原料进行预处理后再进行催化降解,结果表明超声联合碱处理（0.1 mol KOH）预处理后单酚的产率提高了 10%。第三部分,（1）针对秸秆木质素的主要降解产物4-乙基愈创木酚的催化液化生成燃料的前驱体（高碳柴油（C12-C22）和航空燃料（C8-C16）的烷烃）开展了详细的研究。木质素和催化剂的有效接触对催化活性起着至关重要的作用,因此传质问题直接决定反应的催化效果。为了改善载体H-ZSM-5分子筛的传质效率,提升催化剂的催化活性,制备了具有一定空间结构的二维纳米片层分子筛。试验中发现在制备分子筛的过程中加入尿素并调节其用量可以精确控制分子筛的微观结构和空间构型,成功制备了具有b轴可控的二维纳米片层分子筛H-ZSM-5-NS,用超声浸渍法将金属Ni负载在H-ZSM-5-NS上,获得非均相催化剂Ni/H-ZSM-5-NS。（2）Ni/H-ZSM-5-NS催化4-乙基愈创木酚的转化率大于99%,产物环烷烃的选择性在95%以上,比Ni/H-ZSM-5催化剂的转化率高两倍以上。扩展试验表明,Ni/H-ZSM-5-NS能有效促进木质素模型化合物中四种C-O键的断裂,转化率均在95%以上,Ni/H-ZSM-5-NS对秸秆木质素也有明显的催化降解效果,秸秆木质素转化率可达60.2%,单酚收率为16.1%。深入研究了 Ni/H-ZSM-5-NS的催化机理,发现Ni/H-ZSM-5-NS的高活性源于载体的二维纳米片层结构。此外,金属镍与载体H-ZSM-5-NS酸性位点之间的相互作用,在一定程度上增加了催化剂中布朗斯特酸的酸位,4-乙基愈创木酚的转化率和4-乙基环己烷的选择性随着体系中酸性位点的变化而发生较大的变化。Ni物种是有效裂解C-C和C-O键的关键,Ni和二维纳米分子筛的有效相互作用促进了4-乙基愈创木酚的转化。