纳米多孔石墨烯膜分离N_2/CH_4的密度泛函计算与分子动力学模拟

摘要

天然气是最重要的能源之一,具有高热值、高效和低污染等优点,但N_2杂质的存在降低了天然气的燃烧热值。为利用低质量天然气(例如低浓度煤层气),需要从天然气(CH_4)中分离N_2。通过密度泛函计算(DFT)和分子动力学模拟(MD)相结合的方式,系统研究了H饱和的多孔石墨烯对N_2/CH_4气体混合物的分离性能。发现孔径约为0.406nm的H-pore-13多孔石墨烯膜能够高效地从CH_4中分离N_2。H-pore-13具有较高的N_2/CH_4选择性,N_2的气体渗透率达到105 GPU (1GPU=3.35×10^(-10) mol/(s·m^2·Pa)),远远高于传统的聚合物分离膜。因此,多孔石墨烯分离膜在天然气纯化方面具有广阔的应用前景。此外,通过理论计算,对多孔石墨烯膜的气体分离机制进行了探讨,结果表明,石墨烯膜与气体分子的电子密度等势面交叠程度对石墨烯膜的气体分离性能具有很大影响。