本文以原位DRIFTS、分子探针以及动态RWMC（Random Walk Monte Carlo）模拟为主要研究手段，对钼铋催化剂上丙烯（氨）氧化反应过程进行了详细的研究，尤其是对反应机理的研究，包括完整的丙烯氧化反应网络、丙烯腈生成路线、丙烯醛转化为丙烯腈历程、乙醛转化为乙腈等，同时利用Monte Carlo方法对钼铋催化剂表面上的丙烯氨氧化动态反应过程进行了模拟，基于以上研究结果提出了丙烯氨氧化催化剂的概念设计，获得如下的研究成果：（1）成功构建了多相催化反应体系的原位漫反射红外光谱实验平台，并实现了丙烯氧化反应体系和丙烯氨氧化反应体系催化剂表面反应机理的在线原位研究。丙烯氧化反应体系的原位漫反射红外光谱研究结果表明，由丙烯脱氢生成的烯丙基中间物种吸收峰在1454cm^-1和1427cm^-1处；基于此提出了较完整的丙烯氧化反应网络：丙烯选择氧化生成丙烯醛主要经历丙烯脱除甲基上的一个H，生成烯丙基物种，该物种嵌氧生成σ-O络合物，脱氢得到丙烯醛前驱体，脱附生成丙烯醛；完全氧化产物（CO_x）是由催化剂表面上生成甲酸盐、羧酸盐、碳酸盐等形式的中间物种转化而成；较低反应温度下丙烯氧化生成丙酮，通过烯醇式中间物种氧化生成丙酮前驱体得到。（2）丙烯氨氧化反应体系的原位漫反射红外光谱研究结果表明，氨在钼铋催化剂表面上主要以四种形式存在，分别为（ⅰ）1558cm^-1处的氨解离形成的NH₂中间物种；（ⅱ）1651cm^-1和1435cm^-1处的Bronsted酸性位上形成的NH₄⁺中间物种；（ⅲ）1246cm^-1处的Lewis酸性位上形成的配位氨中间物种；（ⅳ）1029cm^-1处的Mo=NH物种，尤其是1029cm^-1处的Mo=NH物种发现为该基团的存在提供了IR依据。丙烯腈生成路线为：丙烯在钼亚氨中间物种（Mo=NH）的作用下按照Grasselli模型直接生成丙烯腈；丙烯选择氧化的中间产物丙烯醛在表面配位氨中间物种的作用下通过加成反应生成丙烯腈。乙腈可能的生成路线为：丙烯通过降解反应生成甲醛和乙醛，后者与催化剂表面上形成的Mo配位氨物种通过加成反应，脱水氧化并最终生成乙腈。（3）确定了丙烯氨氧化催化剂表面上关键的活性相，并引入二进制数技术构建了丙烯氨氧化催化剂表面物理模型；在本文所完善的丙烯氨氧化反应机理基础上提出丙烯氨氧化反应机理模型；进而利用Matlab成功构建了模拟丙烯氧化与氨氧化的动态表面反应过程的RWMC模拟模型。RWMC模拟结果表明：适宜的晶格氧传递速率对反应过程最为有利，催化剂达到一定的还原度后丙烯转化率达到最高；催化剂表面上向Mo空位和O_A空位上传递晶格氧速率有所不同，O_A空位上的补氧速度快于Mo空位上的补氧速度；O₂离解化学吸附概率P_disO2对丙烯腈生成贡献最大。依据模拟结果提出了丙烯氨氧化催化剂进一步改进的方向：改善活性中心的反应性能，提高丙烯分子在Mo=NH上与Mo=O上脱α-H速率之比，优化催化剂体相结构，实现更多更快地将气相氧转化为晶格氧并加快晶格氧向Mo、O_A空位传递速率。（4）在活性位分离和相间协同作用设计理念指导下，结合全文的实验研究结果和模拟结果提出了丙烯氨氧化催化剂的概念设计：（ⅰ）使O₂→(O^2-)_L过程顺利进行以解决催化剂表面上Mo=O物种的来源；（ⅱ）使NH₃→NH^2-过程顺利进行，在催化剂表面上生成足够的Mo=NH物种；（ⅲ）催化剂表面上Mo=O物种与Mo=NH物种的数量与配比必须适宜，以使在催化剂表面上形成丰富的O=Mo=NH物种。由此提出了丙烯氨氧化催化剂优化设计的实现路径：（ⅰ）利用活性位分离设计理念对丙烯氨氧化催化剂结构进行优化以达到提高丙烯腈收率的目的；（ⅱ）基于相间协同作用设计理念设计单晶相催化剂，即将具有丙烯脱氢、嵌氧（氮）等催化功能的活性位集成到单晶相催化剂中；（ⅲ）设计低温下激活氨的催化剂，通过减少由裂解反应生成的副产物以及CO_x的生成，从而提高丙烯腈收率。最后对丙烯氨氧化反应器的优化设计及反应过程的优化调控提出了相应思路。