由于传统化石资源的消耗日益加剧,利用生物质资源制备包括燃料、平台化合物以及多功能材料等多种化学品,可以代替部分传统化石能源作为生产制备大宗化学品的原料。其中通过纤维素催化转化制备5-羟甲基糠醛（5-HMF）是一种利用生物质资源高效生产高附加值化学品的可行方法。5-HMF作为一种重要的平台化合物,可以转化为多种高价值的化学品。因此,本论文通过设计合成了一种以Si O2微球作为载体负载磷酸盐的催化剂,在双相体系中将纤维素转化为5-HMF,并对催化体系的反应机理进行了研究。1、本文首先制备磷酸铪（Hf P）、磷酸锡（Sn P）、磷酸锆（Zr P）、磷酸镧（La P）、磷酸铈（Ce P）五种金属磷酸盐催化剂。实验结果表明,利用Hf P作为催化剂获得的5-HMF产率最高,达到了45.5%。但是考虑到Hf的价格昂贵,为了减少其使用量同时提高原子利用率,选用Si O2微球作为载体制备负载型催化剂,并研究了不同Hf P的负载量对催化反应的影响。根据实验结果筛选出Hf P/Si O2催化剂的最合适的负载量为10 wt%。同时对Si O2、H3PO4-Si O2、Hf P和Hf P/Si O2催化剂进行催化性能的对比,发现Si O2载体对纤维素的催化活性非常弱,在经过1 mol·L-1 H3PO4处理后,由于其表面的Brφnsted酸量增多,对纤维素水解的催化效果提升,其转化率从10.2%提高至23.8%。使用单独的Hf P可以获得45.5%的5-HMF产率,而负载型Hf P/Si O2催化剂可以获得48.6%的5-HMF产率,其中Hf P的含量仅占单独使用时的10 wt%。2、为了进一步降低Hf的使用量并且调节催化剂中的Lewis酸和Brφnsted酸的比例,本文将Zr P与Hf P共同负载至Si O2表面得到HfxZr1-xP/Si O2。结果表明,使用Hf0.7Zr0.3P/Si O2时可获得最高的5-HMF产率,达58.5%。采用Py-FTIR和NH3-TPD对催化剂酸性位点的类型、强度和数量进行研究,发现Hf0.7Zr0.3P/Si O2具有合适的Brφnsted酸与Lewis酸比例,对制备5-HMF具有最佳的催化活性。同时对反应条件进行优化,考察了反应体系中萃取相的种类、催化剂的用量、反应温度以及时间对催化反应的影响,发现最佳反应条件为:30 mg的Hf0.7Zr0.3P/Si O2作为催化剂,含3.5 g Na Cl的H2O-THF双相体系作为反应溶剂,反应温度为190°C,反应时间4 h,纤维素的转化率达89.2%,5-HMF的产率为62.1%。由于在Si O2载体与Hf P形成P-O-Si,减少表面催化活性组分的流失,增强催化剂的稳定性,催化剂进行五次循环实验,5-HMF的产率仅降低了3.1%。3、此外,结合实验结果与表征测试分析Hf0.7Zr0.3P/Si O2催化纤维素制备5-HMF的反应机理,主要包括了纤维素的水解、葡萄糖的异构化以及果糖的脱水三个步骤。首先,催化剂上的羟基提供的氢质子作为Brφnsted酸中心使纤维素水解为葡萄糖,再由Hf4+和Zr4+作为Lewis酸性中心将葡萄糖异构化为果糖,最终,Brφnsted酸将果糖脱水生成5-HMF。