本发明公开了一种正丁烷两步法氧化脱氢制备丁二烯的工艺，属于正丁烷氧化脱氢反应用催化剂及工艺流程技术领域。该工艺该是将两段反应器串联进行正丁烷氧化脱氢工艺并转化得到丁二烯；其中：两段反应器通过不锈钢管进行连接，第一段反应器中以磷修饰的碳纳米管作为反应催化剂，反应温度为350~450℃，第二段反应器中以铁酸锌作为反应催化剂，反应温度为250~350℃。本发明采用磷修饰的碳纳米管与商业铁酸锌催化剂串联催化正丁烷两步法氧化脱氢反应中，正丁烷转化率为10~40%，丁二烯选择性为30~55%，碳氧化合物选择性为40~70%。