冠醚石墨烷对氦气分离性能的理论研究

氦气(He)在众多科学和工业领域中都具有非常广泛的应用,He资源的短缺和需求的不断增长使得He分离具有极其重要的意义.石墨烷合成简单、晶体结构稳定,是一种用于构建气体分离膜的潜在理想二维材料.本文通过第一性原理计算,对四种具有不同尺寸冠醚孔的石墨烷膜(crown ether graphane-n,CG-n,n=3,4,5,6)的He分离性能进行了研究.计算结果表明,四种冠醚石墨烷结构都具有较高的热力学、化学稳定性,并且CG-5和CG-6具有合适的孔径,可用于He的有效筛分.在11种气体分子(He,Ne,Ar,H2,CO,NO,NO2,N2,CO2,SO2和CH4)中,He最容易通过CG-n膜,其能垒分别为4.55,1.05,0.53和0.01 eV.据我们所知,He通过CG-6的能垒是迄今为止报道的最低值,将可显著地提升He的分离效率.基于阿伦尼乌斯方程的选择性计算结果表明,CG-5在较宽的温度范围内(0-600 K)都表现出优异的He选择性(相对于其他10种气体),而CG-6由于冠醚环孔径较大,仅相对于部分气体分子具有较好的He选择性.本研究同时分析了膜孔径大小、气体分子动力学直径和气体分子类型对冠醚石墨烷膜的He分离性能影响的协同机制.因此,孔径合适的冠醚石墨烷膜(CG-5和CG-6)是一类潜在的选择性高、性能优异的He分离膜.