低碳烷烃脱氢技术是生产高附加值低碳烯烃的重要工艺之一,其核心催化剂和工艺受到学术界和工业界的广泛关注。然而烷烃脱氢反应受热力学限制,反应温度高,导致催化剂易积碳失活,反应-再生系统复杂。水蒸气的引入有利于提高平衡转化率和低碳烯烃选择性,且具有安全、热容大、容易分离等优势,是烷烃脱氢工艺理想的反应介质。本工作以开发水蒸气气氛下可稳定运行的Pt-Sn新型烷烃脱氢催化剂为目标,在催化剂载体选择、活性位组成、制备、构效关系探讨及相关工艺设计等方面开展研究。通过采用不同性质的载体负载Pt-Sn物种发现,在较强的Lewis酸中心或具有丰富的表面基团的载体表面容易形成富Sn的Pt-Sn复合活性位点,有利于脱氢活性的提升;而在惰性的载体表面则容易形成贫Sn的结构。采用具有较好水热稳定性的Zn Al2O4尖晶石为载体,Pt物种更趋于与Sn组分表面上的L酸中心/氧空位结合,形成富Sn的复合活性位结构。通过结合DFT理论计算与多种物理化学表征,阐明了催化剂表面不同价态锡物种的催化作用,即与Pt形成合金的Sn物种有利于降低Pt表面脱氢活性以提高产物异丁烯的选择性和催化剂的抗积碳性能;而氧化价态的Sn Ox可通过Pt-O-Sn结构的强相互作用稳定催化剂表面的Pt物种,抑制其在反应高温下烧结长大。通过调控催化剂制备方法,发现Pt金属颗粒分散度深受载体的表面特性、活性组分浸渍条件、助剂的性质的影响。采用优化后的制备工艺可在Zn Al2O4尖晶石载体上形成粒径为1～4 nm高度分散的金属Pt颗粒及富Sn的Pt-Sn活性物种。对比不同制备方法和Sn/Pt比的催化剂,发现其烷烃脱氢初始活性与金属Pt的分散度线性相关,而脱氢选择性、失活因子和积碳量深受Sn/Pt比和表面酸性位的显著影响。此外,采用In元素作为助剂可以有效降低载体表面酸性,减少积碳量,大大提高反应稳定性。当催化剂中添加0.4 wt.%的In后,催化剂初始烷烃脱氢转化率和烯烃选择性可分别达到54%和95%以上。进一步通过调变尖晶石载体结构与表面特性,探讨其对Pt-Sn催化剂烷烃脱氢性能的影响规律。采用稀土金属Y、La和Ce对Zn Al2O4进行改性,结合表征与DFT理论计算发现,Y和La易于掺杂入Zn Al2O4晶格中,使载体结构发生局部变形;而Ce倾向于以Ce O2的形式存在于Zn Al2O4载体表面,同时会覆盖载体表面部分Lewis酸位。催化剂烷烃脱氢积碳失活速率与其表面Lewis酸位数量成正比。Ce、Y的引入可有效减少催化剂积碳量,提升催化剂稳定性;而La的加入利于氧空穴的形成,提升催化剂表面酸性,但对反应不利。与未改性或其他稀土元素改性的催化剂相比,Pt-Sn/Ce-Zn Al2O4具有较好的抗积碳能力和较高的Pt分散性,表现出优良的低碳烷烃脱氢性能。本工作研制的Pt-Sn/Zn Al2O4烷烃脱氢催化剂可适用于长周期蒸气气氛下的脱氢反应,在温度530～590℃,质量空速2～4 h-1,水比1～4,常压条件下,初始异丁烷转化率＞50%,选择性＞93%,超过2000小时（200次循环再生）的稳定性测试后,催化性能保持稳定。相较于现有商业Pt系临氢催化脱氢体系,该催化剂可仅通过烧碳方法即可恢复催化剂活性,大大简化了再生过程。同时,该Pt-Sn/Zn Al2O4催化剂可用于碳三、碳四烷烃脱氢反应,也可用于混合丙烷/异丁烷的脱氢制取丙烯和异丁烯反应,具有较好的原料适应性。基于上述研究成果开发了新型异丁烷脱氢制异丁烯立式轴向薄床层固定床反应器和临水蒸气反应工艺,反应流程简单、设备投资低、操作简便,具有较好的应用前景。