化石燃料属于不可再生能源的范畴,过量燃烧产生的粉尘颗粒和温室气体是导致雾霾天气和全球变暖的主要原因。面对能源危机和环境污染这两大难题,清洁能源成为大家关注的焦点,其中氢能作为一种燃烧效率高、产物清洁无污染、可用范围广的二次能源,能够满足经济发展的需求。氢能的可持续发展涉及到氢气生产、氢气储存运输、氢气利用等一系列问题,目前工业上生产氢气的方法主要是对天然气的重整和煤炭气化后的混合气体分离,生产过程中不可避免地会混入其他气体,降低了氢气纯度。现下分离氢气的主要方法有变压吸附法、深冷分离法和膜分离技术,膜分离技术因为效率高、能耗低、空间占用小、分离前后物质无相变和设备成本低等优势,成为最有发展前景的技术之一。膜分离技术的核心是选择一张具有高选择性和高渗透性的理想型分离膜材料,基于膜材料的渗透性与膜厚度成反比这一特性,减小分离膜的厚度能够增加气体的渗透通量。二维类石墨相氮化碳晶体属于仅有单原子厚度的薄膜材料,晶体中由六元环所围成的孔隙大小合适、排列规则,相比于石墨烯更适合用作分离氢气的膜材料。本文以二维类石墨相氮化碳g-C₃N₄晶体和g-C10N13晶体为研究对象,运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,主要研究了二维g-C₃N₄晶体的triazine和heptazine结构以及二维g-C10N13晶体分离H₂和CO气体的可行性。模拟计算二维triazine结构g-C₃N₄晶体分离H₂分子的过程,H₂分子的吸附高度接近零时,系统中两者之间的相互作用能超过大多数情况下H₂分子的能量,二维g-C₃N₄晶体中N原子与H₂分子间存在电荷转移,优化系统结构后H₂气体与二维g-C₃N₄晶体间发生化学吸附而无法晶体微孔。H₂分子在穿透二维heptazine结构g-C₃N₄晶体时系统中两者间相互作用能较小,H₂分子与晶体间没有发生化学吸附,理论上可以顺利穿透二维g-C₃N₄晶体微孔,而处于水平位置的CO分子靠近晶体微孔时与晶体间有电荷转移发生,CO分子被阻挡在微孔之外而不能顺利穿过二维g-C₃N₄晶体微孔。在H₂分子穿透二维g-C10N13晶体的系统中,气体分子的吸附位置对相互作用能几乎没有影响。两种气体分子均没有与晶体的原子间发生电荷转移,都可以穿透二维g-C10N13晶体的微孔。所以二维g-C10N13晶体不具备分离H₂/CO气体需要的选择透过性。综合以上,二维heptazine结构g-C₃N₄晶体可以考虑用作分离H₂和CO气体分子的分离膜材料。