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膜分离技术具有节能、高效、无二次污染、易操作等优点,被广泛应用于气体分离领域。气体膜分离技术的核心是膜材料,二维类石墨烯薄膜用于气体分离的研究是最近的热点课题。利用计算机模拟预测二维类石墨烯薄膜的气体分离性能可以为开发新型气体分离膜提供理论指导,降低气体分离膜的开发成本,缩短气体分离膜的开发周期。本文采用分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）从微观水平研究二维类石墨烯薄膜的气体分离性能。首先模拟研究了两种实验上已经合成的二维多孔材料的氦气分离性能;然后理论上预测了两种可用于氢气分离的孔洞分布均匀、孔径分布均一的二维多孔材料,并模拟研究了其氢气分离性能;最后提出通过应力精确调控graphenylene气体分离膜的有效孔径大小,从而实现多种气体的选择性分离。本文主要研究内容如下:（1）采用DFT模拟研究了双空位缺陷多孔锗烯的氦气分离性能。研究表明氦气透过555 777双空位缺陷多孔锗烯所需要克服的能量势垒为0.53 eV,比气体分子能够透过二维分离膜需要克服的最大能量势垒（0.5 eV）稍大,该结果表明555 777双空位缺陷多孔锗烯不适用于氦气分离。而氦气分子透过585双空位缺陷多孔锗烯所需要克服的能量势垒仅为0.27 eV,氦气分子可以容易地透过585双空位缺陷多孔锗烯。研究发现随着温度的升高,585双空位缺陷多孔锗烯的氦气渗透率增大,而选择性（相对其它气体）降低。室温下He/Ne选择性高达1×104,并且氦气的渗透率也超过了工业应用的气体分离膜所能接受的最低渗透率值,所以585双空位缺陷多孔锗烯在氦气分离领域有着良好的应用前景。（2）采用MD和DFT系统地研究了石墨相碳氮化合物—多孔g-C2N膜的氦气分离性能。模拟研究发现,氦气分子透过多孔g-C2N膜仅需要克服0.13 eV的能量势垒。通过阿伦尼乌斯方程计算发现在很广的温度范围内,多孔g-C2N膜表现出高的He/Ne（Ar、CH4、CO2等等）选择性。此外,MD模拟结果表明300 K时多孔g-C2N膜的氦气渗透率高达1×107 GPU(气体渗透率单位,1GPU=3.3×10-9mol cm-2 s-1 bar-1),远高于工业应用的气体分离膜所能接受的最低渗透率值。通过MD和DFT在理论上证明了多孔g-C2N膜对氦气具有高的选择透过性,表明其在氦气分离领域有着良好的应用前景。（3）通过MD和DFT理论研究了二维多孔FPN（Fused Pentagon Network）膜的氢气分离性能。DFT计算结果表明氢气分子透过多孔FPN膜仅需要克服0.18eV的能量势垒。通过阿伦尼乌斯方程计算发现在很广的温度范围内,多孔FPN膜表现出高的H2/CO（N2、CH4、CO2等等）选择性。此外,通过MD模拟,发现温度在450 K时多孔FPN膜的氢气渗透率高达4×107 GPU,要远高于工业应用的气体分离膜所能接受的最低渗透率值。总之,利用DFT和MD在理论上证明了多孔FPN膜对氢气具有高选择性和高渗透率,表明多孔FPN膜在氢气分离领域有着良好的应用前景。（4）利用DFT和MD系统地研究了石墨相碳氧化合物—多孔g-C2O膜的氢气分离性能。DFT计算结果表明氢气分子透过多孔g-C2O膜需要克服的能量势垒仅为0.104 eV。通过阿伦尼乌斯方程计算发现在很广的温度范围内,多孔g-C2O膜表现出高的H2/CO（N2、CH4、CO2等等）选择性。此外,MD模拟结果表明温度在300 K时多孔g-C2O膜的氢气渗透率高达1.54×10-3 mol s-1 m-2 Pa-1,该值比传统聚合物膜的氢气渗透率(10-8 mol s-1 m-2 Pa-1)高5个数量级。从头算的分子动力学模拟结果表明,多孔g-C2O膜对所研究的气体分子表现出化学惰性。与多孔石墨烯相比,多孔g-C2O膜孔洞边缘的氧原子不需要钝化处理。综合以上优点,首次证明多孔g-C2O膜在氢气分离领域有着良好的应用前景。（5）提出通过应力精确调控graphenylene气体分离膜的有效孔径大小,从而实现多种气体的选择性分离。通过调控graphenylene膜的有效孔径大小,可以有效调控气体分子透过薄膜的能量势垒,进而调控graphenylene膜对气体分子的“开”、“关”状态,实现气体分子有选择性的透过分离膜,从而实现气体的多级分离。通过DFT计算发现对graphenylene薄膜施加外部拉伸可以显著提高氢气渗透率,graphenylene薄膜的拉伸量为4.02%时,氢气渗透率可以达到4.05×10-3mol s-1 m-2 Pa-1,是未施加应力拉伸时氢气渗透率的9倍。当graphenylene的拉伸量处于4.02%5.08%之间时,graphenylene膜能够有效地进行CO2和N2分离;当graphenylene的拉伸量处于6.11%11.08%之间时,graphenylene膜可以有效地进行CH4富集。