气体膜分离技术在工业上具有能量成本低、效率高和操作简单等多种应用优点。新兴的基于二维（2D）材料的分离膜具有传统分离膜的优点,并可解决在传统分离膜中存在的渗透性-选择性折衷的问题。最近,实验上用2D材料MXene制成MXene层状膜,其展示出优异的气体分离性能,在气体分离领域具有巨大的应用潜力。本文采用分子模拟的方法研究气体分子在2D MXene层状膜中的吸附、扩散及分离的过程。首先,采用巨正则蒙特卡洛方法考察了纯组分气体分子H₂、CH₄、CO₂及N₂在MXene膜间的吸附规律,研究压力、温度、层间距及官能团组成对气体吸附量的影响。结果表明,低压下,气体吸附量随压力的增加而增加;高压下,吸附量增加的趋势放缓;层间距对气体吸附量具有较大影响,低层间距下层间距的提高将降低气体的吸附量,而大层间距下这一影响将减弱;温度的增加将降低气体分子的吸附量;官能团组成对气体吸附量的影响较小,基本可以忽略。然后,采用全原子分子动力学模拟研究H₂、He、CH₄、CO₂及N₂五种气体分子在MXene纳米通道中的扩散行为,并充分考虑了MXene层状膜层间距、层间水分子对气体扩散的影响。结果表明,气体分子的尺寸、质量和极性及MXene层状膜的层间距、层间水分子对气体扩散有着较大的影响,并因此导致了不同的扩散机制和扩散系数。在层状膜的设计中,可利用此类性质克服在普通分离膜中存在的渗透性-选择性折衷问题。最后,采用全原子分子动力学模拟探究H₂/CH₄、H₂/N₂气体对在MXene层状膜中的分离,研究了MXene层状膜层间距、水含量、通道长度、官能团组成、渗透压力及温度对气体分离的影响。结果表明,气体分子在不同层间距下具有不同的扩散方式,低层间距下进行的构型扩散,将使气体对具有较高的选择性。层间水分子会分割2D纳米通道,同时增加气体分子过膜的行程,由此降低气体分子的通量但提高选择性。通道长度增加会增强膜壁对气体分子的影响,从而扩大CH₄、N₂与H₂气体分子间通量的差异,在降低气体分子通量的同时,提高选择性。官能团组成对于气体渗透的影响较小,压力的提高会增加气体分子的通量,但对选择性的影响却较弱。温度降低,气体通量的下降幅度比较小,而选择性却有一定的提高,因此降低温度有利于气体分离的操作过程。