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生物质化学转化制取化学品是解决能源和资源危机的重要途径之一。5-羟甲基糠醛(5-HMF)是一种重要的平台化合物。它不仅可由生物质中碳水化合物转化获得,而且是合成树脂、药物、香精等的重要原料。葡萄糖和果糖脱水制5-HMF是目前碳水化合物化学转化利用中的研究热点之一,然而现有固体酸催化剂难以直接催化葡萄糖高效定向转化为5-HMF,主要表现为反应选择性低。从反应机理看,葡萄糖脱水制5-HMF的过程是:葡萄糖首先异构化为果糖,果糖再进一步脱水生成5-HMF,两步反应所需酸性中心不同,因此,实现葡萄糖高效催化制5-HMF的关键科学问题是催化剂微观结构以及酸性中心的调控。采用双模板自组装、碳化、氢氟酸蚀刻和磺化等手段制备了分级有序多孔结构磺化碳(SCHOP),并分别在500、600和700℃下考察了碳化温度对分级有序多孔碳微观结构的影响;以催化果糖脱水制5-HMF为探针反应,评价了SCHOP的催化效果;SEM、TEM和N2吸附脱附表征表明,在500℃碳化制备的催化剂具有最高规整度的分级有序孔结构,但过高的碳化温度会降低碳材料微观结构的有序性;FT-IR表征以及EDS和-SO3H含量测定表明,通过磺化可在碳基体上有效地引入磺酸基,但过高碳化温度会降低碳材料的芳香性,不利于磺酸基的引入。500℃焙烧所制备的SCHOP具有最高的催化活性。以DMSO为反应介质,130℃下反应20 min,果糖的转化率和5-HMF的收率分别高达96.1%和93.4%。采用三种孔结构的磺化碳(SCHOP、SMC和SAC)催化果糖脱水,考察了催化剂孔结构与催化活性间的构效关系。在测量三种孔结构碳分别吸附果糖和5-HMF动力学数据的基础上,建立了吸附动力模型,并分析了在不同孔磺酸碳催化下,果糖脱水过程的宏观动力学行为。发现孔结构对磺化碳的催化活性和5-HMF的选择性具有重要影响,具有分级有序多孔结构的SCHOP有利于强化果糖和5-HMF的内扩散,具有更高的果糖有效吸附比表面积,较低的5-HMF有效吸附比表面积。在SCHOP催化过程中,化学反应是限速步骤;而在SMC或SAC催化下,分子内扩散是限速步骤。因此,在果糖转化和5-HMF选择性上,SCHOP优于SMC和SAC。以葡萄糖直接脱水制5-HMF为评价反应,分别以TiO2、Nb2O5、ZrO2和Al2O3为催化剂,考察了其催化葡萄糖异构化为果糖的效果;并且考察了金属氧化物掺混以及金属氧化物与SCHOP掺混催化葡萄糖脱水制5-HMF的协同作用;最后将Al2O3、Al2O3和TiO2分别负载到分级有序多孔碳(HOPC)或SCHOP上,制备了四种分级有序多孔碳固体酸(Al/HOPC、Al/SCHOP、Al-Ti/HOPC和Al-Ti/SCHOP),并考察了其一步法催化葡萄糖制5-HMF的效果。结果发现Al2O3具有较高的异构化活性;Al2O3与TiO2掺混,以及Al2O3与SCHOP掺混能够提高5-HMF的收率和选择性;负载后的Al-Ti/SCHOP能够显著提高5-HMF的收率和选择性。NH3-TPD分析表明,Al-Ti/SCHOP既具有较多的弱酸性位,又具有较强的酸性位;在130℃下,催化葡萄糖反应5 h,葡萄糖转化率为67.4%,5-HMF选择性可达85%。