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异丁烯是重要的精细化工产品之一，用它作原料能生产出大量高附加值的下游化工产品，如甲基叔丁基醚(MTBE)、聚异丁烯(PIB)、丁基橡胶(IIR)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)。目前，异丁烯的主要来源是石油化工产业的副产品。随着化工领域对异丁烯下游产品的大量开发和利用，异丁烯资源短缺的矛盾日益突出。异丁烷脱氢制异丁烯是国外利用异丁烷资源的主要途径之一。本文选用高性能的介孔材料为催化剂载体，负载VOx、CrQx等活性组分，制备一系列介孔催化剂，分别研究了催化剂在CO2氧化异丁烷脱氢和异丁烷直接脱氢反应中的催化活性及稳定性，并对反应的积炭动力学以及本征动力学进行了研究，以便为催化剂的进一步改进提供研究基础。主要研究成果如下: 计算了二氧化碳氧化异丁烷脱氢反应和异丁烷直接脱氢反应的热力学，以便为反应工艺的优化提供理论依据。由结果可知，异丁烷脱氢反应属于体积增大的强吸热反应，低压与高温是获得较高异丁烷平衡转化率的理想反应条件。反应体系中二氧化碳或惰性气体（Ar）比例的增加有利于异丁烷转化率的提高，但从动力学因素及加工成本考虑，二氧化碳或惰性气体（Ar）的比例不宜过大;异丁烷脱氢反应体系中存在异丁烷裂解生成甲烷和丙烯的副反应。高温条件下，异丁烷裂解反应比CO2氧化异丁烷脱氢更容易发生，因此异丁烷脱氢催化剂开发的重点是如何抑制和减少裂解副反应。 以VOx或CrOx为活性组分，分别负载在MSU-1、SBA-15、MCM-41和氧化铝(meso-Al2O3)等介孔材料上，得到一系列介孔催化剂，并分别研究了各催化剂在CO2氧化异丁烷脱氢和异丁烷直接脱氢制异丁烯反应中的催化性能。其中，VOx/MSU-1和CrOx/meso-Al2O3催化剂分别在氧化脱氢和直接脱氢反应中具有最高的催化活性。采用XRD、N2吸附-脱附及H2-TPR方法，研究了不同VOx、CrOx负载量对于VOx/MSU-1和CrOx/meso-Al2O3催化剂结构及活性的影响，得出VOx/MSU-1的VOx最佳负载量为12.0 wt％，CrOx/meso-Al2O3的CrOx最佳负载量为10.0 wt％。在VOx/MSU-1催化剂上，最佳的反应条件为:温度873 K、空速(GHSV)4800 h-1、压力为常压且二氧化碳与异丁烷的比例为3/1。在此条件下，异丁烷的转化率最高为58.8％，异丁烯的选择性为78.5％，异丁烯收率为46.2％;在CrOx/meso-Al2O3催化剂上，最佳的反应条件为:温度853 K、空速4800h-1、压力为常压且惰性气体Ar与异丁烷的比例为3/1。在此条件下，异丁烷的转化率最高为48.8％，异丁烯的选择性为83.4％，异丁烯收率为40.7％。 在上述催化剂上，添加CuO、La2O3、CeO2和K2O等组分，得到一系列改性催化剂。在CO2氧化异丁烷脱氢反应中，稀土氧化物La2O3、CeO2对于CrOx/MSU-1和VOx/MSU-1催化剂有明显的促进效果，其中异丁烷的转化率最高可达62.1％，异丁烯的选择性为83.4％;在异丁烷直接脱氢反应中，K2O、CuO的加入对于CrOx/meso-Al2O3和VOx/meso-Al2O3有明显的促进效果，异丁烷的转化率最高可达62.8％，异丁烯的选择性为88.4％。通过XRD、XPS、NH3-TPD表征可知，一些助剂的加入不仅能够改善催化剂表面的酸碱性，同时也能促进CrOx和VOx活性组分的分散，并保持高活性组分的稳定性。 研究了催化剂La2O3-VOx/MSU-1、K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3在异丁烷脱氢反应过程中连续反应14 h的稳定性。其中，在开始阶段反应速率均下降较快，与异丁烯直接脱氢反应相比，CO2氧化异丁烷脱氢反应相对来说稳定性较好;在催化剂K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3上，研究了连续50次的反应再生循环（每次反应2h，共100 h），结果表明每经过一次循环，催化剂活性的下降较为缓慢，反应累计100 h后依然取得超过60％的初始活性和90％的选择性，表明该催化剂具有良好的再生性能。同时，对催化剂K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3失活及再生的机理进行了研究，结果表明积炭行为是影响催化剂活性的最主要原因。分别研究了La2O3-VOx/MSU-1和K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3催化剂上CO2氧化脱氢和直接脱氢反应积炭量对催化性能的影响，并对实验数据进行模拟归纳，得到了相关反应的积炭动力学方程式。 研究了催化剂La2O3-VOx/MSU-1、K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3上异丁烷脱氢反应本征动力学。采用数据优化软件1stOpt中的Simplex-Method法(SM)+通用全局优化算法对实验数据进行处理拟合，得到反应活化能及相应的吸附热、指前因子。根据Langmuir-Hinshelwood机理，列出反应速率方程，进行参数估值和模型验证。结果表明氧化脱氢和直接脱氢反应都是以表面反应为过程的控制步骤，在此基础上得到了不同催化剂（La2O3-VOx/MSU-1、K2O-CuO-CrOx/meso-Al2O3）的脱氢反应的本征动力学速率方程式。通过模型检验和模型合理性判别准则，得出所建立的本征动力学模型参数满足热力学判别准则，证明了该模拟过程的有效性。