丙烯作为石油化工中重要的化学合成原料,在聚丙烯、环氧丙烷、丙烯腈、异丙基苯、丙烯酸等产品的生产中应用广泛。随着这些化工产品需求的快速增长,丙烯的需求量正在逐年增大。丙烯的来源主要有蒸汽裂解、煤制烯烃、催化裂化、丙烷脱氢以及烯烃复分解等。其中丙烷脱氢作为一种极具优势的技术路线,不仅可以减轻石油短缺的压力,又可以降低生产成本。丙烷脱氢的反应方式有氧化催化脱氢（ODHP）和直接催化脱氢（DHP）两种方式。氧化催化脱氢,可在低温下达到不错的转化率,但容易被深度氧化,导致丙烯的选择性大大降低;直接催化脱氢,工艺流程简单,但Cr基催化剂容易造成环境污染,Pt基催化剂虽然环境友好,但价格昂贵,且容易积碳,使得催化剂的反应活性急剧降低,转化率低。因此,针对这种现状,我们在直接催化脱氢的基础上发展了一种膜催化反应技术,把反应中产生的氢气从反应区域中移除,使反应和分离同时进行,进而使热力学平衡的制约被打破,来提高丙烷的转化率和丙烯的选择性及收率。本论文设计了一种具有反应-分离结合的Co@Carbon膜催化反应器,一方面,碳分子筛膜（CMSM）作为选择透氢性膜起到分离的作用,另一方面,ZIF-67通过高温烧结后作为Co基催化剂,用于丙烷催化反应。基于反应-分离结合的Co@Carbon膜催化反应器的设计思路,本论文主要开展以下三方面的工作:第一部分:碳分子筛膜（CMSM）的制备。碳分子筛膜（CMSM）因其高化学稳定性和热稳定性而备受关注,而聚多巴胺（PDA）层具有无毒,优异的附着力,高碳收率和与酚醛树脂相似的结构,因此有望用于制备CMSM。在本论文中,以PDA为碳前驱体制备了超薄且具有高透氢性的CMSM。在N2气氛中,PDA层在700℃下碳化8 h后,在Al2O3基底上形成了厚度仅为80 nm的致密且超薄的CMSM。CMSM具有出色的气体分离性能:H2渗透率为2.7×10-6mol·m-2·s-1·Pa-1,远高于以前报道的CMSM,H2/CO2,H2/CH4以及H2/C3H8的理想分离系数分别为18.3、31.4和49.1,远远超过对应的努森扩散系数（4.7、2.8和4.7）。第二部分:ZIF-67膜的制备。ZIF-67更倾向于在反应溶液中均相成核,而不是在基底上进行异质成核和生长,因此很难制备具有高渗透选择性的ZIF-67膜。受同源金属离子有助于作为成核中心来促进连续MOF膜制备的事实启发,我们开发了一种新颖有效的合成方法,以Co2+离子螯合的PIM-1（PIM=固有微孔聚合物）作为ZIF-67膜和α-Al2O3载体之间的界面层来原位生长致密的ZIF-67膜。在120℃下,以溶剂热法合成48 h后,可在Co2+@c PIM-1改性的α-Al2O3圆盘上形成厚度约为12μm的ZIF-67膜。在25℃、1 bar的单气体渗透条件下,ZIF-67膜具有6.2×10-7 mol·m-2·s-1·Pa-1的高H2透量,H2/CO2,H2/CH4以及H2/C3H8的理想分离系数分别为15.1、51.7和56.4。此外,其它致密且具有H2选择性的ZIF膜（ZIF-7、ZIF-8膜）,可采用相同的策略制备Zn2+@c PIM-1来对基底进行改性。第三部分:基于ZIF-67-9的Co基催化剂的制备及催化性能研究。基于Co2+的MOF材料ZIF-67和ZIF-9,由于它们的氮/金属含量高且合成容易,所以是制备具有高活性的催化剂最常用的前体之一。以基于Co的、不同配体的ZIF-67-9复合粉末为前驱体,分别以不同温度、不同比例热解5 h来制备Co/NC纳米复合催化剂,并用于丙烷脱氢性能研究。通过在N2气氛下热分解,源于ZIF-67与ZIF-9的Co原子和相关配体分别转变为多孔的Co纳米粒子和含N碳,从而形成高分散性的Co/NC复合材料,并且通过调节不同配体的相对量来控制骨架的孔隙度和功能。研究结果表明,热解温度对催化剂的丙烷脱氢性能影响较小,而ZIF-67与ZIF-9的不同配比影响较大,催化剂Co/NC-700℃（ZIF-67-9=1:2）的丙烷转化率为10%,丙烯选择性为90%,相对效果最好,可用于后续的Co@Carbon膜催化反应器的设计。