使用类石墨二炔膜从二氧化碳中分离氢气的新方法

为了分离氢气（$H_2$）和二氧化碳（$CO_2$）混合气体，我们提出了一种使用类石墨二炔膜（GDY-H）的新方法，并采用了密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。GDY-H 的构建是通过在石墨二炔结构中移除三分之一的二乙炔基（$-$C$\equiv$C$-$C$\equiv$C$-$）键连接并替换为氢原子来实现的。我们的 DFT 计算表明，$H_2$/$CO_2$ 气体通过该膜时表现出较差的选择性和良好的渗透性。为了提高 GDY-H 膜对 $H_2$/$CO_2$ 分离的性能，我们将两层 GDY-H 相邻放置，其间距为 2 nm。然后，我们在两层之间插入了 1,3,5-三氨基苯。在这种方法中，$H_2$/$CO_2$ 的选择性从 5.65 提升至完全纯净的 $H_2$ 气体。此外，在 20 K 以上的温度下，GDY-H 膜对 $H_2$ 分子表现出优异的渗透性，约为 $10^8$ 气体渗透单位（GPU）。$H_2$ 的渗透性远高于常规工业极限值。此外，我们提出的方法在气体分离的选择性和渗透性参数之间表现出良好的平衡，这是工业中 $H_2$ 纯化和 $CO_2$ 捕集过程的关键因素。