C₄烷烃广泛存在于石油液化气、炼厂气及天然气中,其来源丰富,而价格却很低廉,绝大部分被用作燃料直接燃烧掉了,造成能源的极大浪费。C₄烯烃（包括1-丁烯、2-丁烯和1,3-丁二烯）均为重要的的化工原料,其资源相对匮乏。因此由C₄烷烃经催化脱氢或氧化脱氢制取高附加值的C₄烯烃无论在理论上还是在经济上都具有重要现实意义。而C₄烷烃的广泛应用依赖于其脱氢催化剂的研究与开发,这也是目前催化领域具有挑战性的课题之一。本论文采用SiO₂为载体,以VO_x为活性组分,在焙烧温度为550℃条件下制备了不同钒负载量的VO_x/SiO₂催化剂。以正丁烷、空气和氮气为原料,在微型固定床反应器中进行正丁烷氧化脱氢反应研究,反应产物采用气相色谱在线分析。催化剂均采用浸渍法制备,首先考察了钒负载量对催化剂性能的影响;然后考察了不同反应条件下催化剂对正丁烷氧化脱氢反应的催化性能。在此基础上,采用Li、K、Mg、Ca、Sr、Al、Fe、Ni、Zn等金属氧化物对VO_x/SiO₂催化剂进行改性研究,制备了不同金属改性的VO_x/SiO₂催化剂,考察了改性剂种类以及添加量对正丁烷氧化脱氢性能的影响。最后采用XRD、FT-IR、TPD-NH3、TPR-H₂及BET等分析技术对催化剂进行了表征,获得了催化剂活性组分的组成、结构、金属价态、还原性和表面酸性等信息,研究了这些表征结果对催化剂对正丁烷氧化脱氢反应催化性能的影响。第三章以VO_x/SiO₂为催化剂,考察了VO_x负载量对VO_x/SiO₂催化剂催化性能的影响, VO_x/SiO₂催化剂中VO_x负载量为3%时催化性能最佳。以3 wt.%VO_x/SiO₂为催化剂,在反应温度为550℃、原料气组成为n-butane/O₂/N₂=4/4/42、空速WHSV=1.5×104 ml·h^-1·g_cat^-1的条件下可获得45.1%的正丁烷转化率和18.6%的C₄烯烃收率。并在此条件下考察了催化剂的寿命,反应3小时后正丁烷转化率由最初的45.9%下降到42.3%,随后基本保持恒定,催化剂展现出良好的稳定性。通过XRD、FT-IR、TPR-H₂、TPD-NH₃等表征手段考察了VO_x负载量对催化剂结构、还原性、表面酸性等特性的影响,结果发现催化剂表面活性钒物种与载体表面发生了键合作用,使VO_x的还原性得到了改善,同时发现在较低钒负载量下,VO_x能高度分散在载体表面,当VO_x负载量超过一定范围后,载体表面有V_<sub>2O₅晶体产生。催化剂中主要有Si—O—V键、V=O键和V—O—H键存在。SiO₂表面的酸性位没有催化活性,随着VO_x负载量的增加,催化剂中活性钒物种表面酸性位增多,从而提高了催化剂的活性,但同时也加剧了正丁烷深度氧化。第四章采用Li₂O、K₂O、MgO、CaO、SrO、Al₂O₃、Fe₂O₃、NiO、ZnO等金属氧化物对3 wt.%VO_x/SiO₂催化剂进行改性研究,首先考察了MgO添加量对催化剂催化性能的影响,发现在VO_x/SiO₂催化剂中适量添加MgO可在一定程度上提高C₄烯烃收率。以NiO为改性剂对VO_x/SiO₂改性后催化剂更有利于生成1,3-丁二烯以及裂解生成乙烯和丙烯,而对正丁烯的生成不利,而以K为改性剂则大大加剧了正丁烷的裂解反应。其它改性剂按照其对催化剂催化性能的影响可以分成两类:第一类为Li₂O、CaO、SrO、ZnO,它们的引入虽然降低了催化剂活性,但同时也使正丁烷深度氧化程度得到大大的改善,提高了C₄烯烃选择性;另一类为Al₂O₃、Fe₂O₃,它们不但降低了催化剂的活性,同时也使正丁烷深度氧化程度大大增加,使C₄烯烃选择性也大大降低。通过TPR-H₂分析发现,向VO_x/SiO₂加入MgO、Li₂O、CaO、SrO等金属使催化剂表面的活性钒物种更加难以被还原。