丁烷是液化石油气的重要组成部分，可作为燃料或制备丁烯的原料，后者具有更高的附加值。丁烷脱氢是强吸热反应，强烈依赖于催化剂的使用。但在工业催化剂上 (如科莱恩公司的铬系催化剂)，碳四烯烃收率低于30%，进一步提高目标产物的收率，需要对已有催化体系进行改性或开发新催化剂。在这方面，尽管已有了大量的文献报导，但并未取得显著突破，收率仅提高5%-10%，这可能是因为丁烷脱氢过程复杂，涉及多种反应中间体和产物，试错法无法有效大幅提高烯烃收率。本论文系统研究了丁烷在负载Pt催化剂上的脱氢影响因素，包括催化剂载体、Pt颗粒尺寸、Pt电子结构，构建了催化剂结构与性能之间的关联，挖掘了该反应的关键因素，为丁烷脱氢催化剂的研发提供了理论指导。通过制备混合氧化物调控载体上不同氧物种的比例，研究了载体上氧物种对丁烷脱氢的影响。XPS表征显示载体上存在三种氧物种，根据结合能从小到大分别为：晶格氧、化学吸附氧和物理吸附氧。研究发现当氧物种中晶格氧的比例越高时，越倾向于生成产物丁二烯。高结合能的化学吸附氧和物理吸附氧，在脱氢反应中优先消耗，且促进生成丁烯和裂解产物 (甲烷、乙烷和丙烷)。使用乙二醇预还原法，成功实现了Pt颗粒尺寸从1.8到6.0 nm范围内的调控，进一步研究了钛硅分子筛 (TS-1) 负载不同尺寸Pt颗粒对丁烷脱氢的影响。发现当Pt颗粒尺寸从6.0 nm减小至1.8 nm，裂解产物选择性从15%降低至6%，丁烯和丁二烯的选择性显著提高，说明Pt颗粒尺寸减小有利于抑制裂解反应。同时也发现Pt颗粒尺寸越小，丁烷转化的活化能越低，越有利于丁烷脱氢向丁烯和丁二烯的转化。通过密度泛函理论 (DFT) 计算，考察了丁烷表面覆盖度对丁烷第一步脱氢能垒的影响，建立了Pt颗粒尺寸与丁烷脱氢能垒之间的关联。考察了TS-1负载Pt3M (M= Ru、Au、Sn) 合金催化剂对丁烷脱氢的影响，发现了性能优异的Pt3Sn-TS-1催化剂，在相近的反应条件下，丁烯与丁二烯的收率可达65%，是工业催化剂烯烃收率的两倍。与负载单金属Pt催化剂相比，Pt3Au与Pt3Sn合金催化剂没有明显改变产物选择性，仅显著提高了丁烷转化率，降低了丁烷脱氢的活化能，但活化能的变化无法与传统DFT平板模型计算的Pt3M的d带中心进行关联。为了深入理解这种实验现象，我们发展了Pt3M团簇模型，计算了丁烷第一步脱氢能垒，成功实现了d带中心与丁烷脱氢能垒的关联，归纳总结出倒立的火山状关联曲线。该关联曲线不仅解释了Pt的d带中心对丁烷脱氢性能的影响，而且可用于理解文献报道结果，为丁烷脱氢催化体系的设计提供了理论指导。考察了Pt3Sn-TS-1催化剂应用于模拟工业混合气 (丙烷和丁烷) 的脱氢性能，当丁烷与丙烷的摩尔比从5:1降低到1:5时，丁烷脱氢活化能从58.9 kJ·mol−1逐渐增加至74.6 kJ·mol−1。原位红外光谱表征显示丙烷与丁烷在催化剂表面存在竞争吸附，改变了丁烷在催化剂表面的覆盖度，从而引起了活化能的变化。进一步考察了该催化剂在550 ℃下对不同比例丙烷和丁烷的混合气脱氢行为，结果表明，催化剂能稳定运行10 h且收率维持在约36%，高于工业催化剂寿命 (0.5 h) 以及30%的烯烃收率，表现出优异的催化性能。