氦气被誉为“金气”,目前已被广泛地应用在低温科学研究、医疗器械、航空航天等尖端工业领域。随着这些技术的飞速发展,全球对氦气的需求急剧增长,但由于全球氦储量十分有限,供求不平衡的现状造成了氦气资源的持续短缺。富氦的天然气是最容易获取氦的资源,但现有的分离方法效率低、能耗高,这使得亟需探究高效环保的氦气分离方法。另一方面,氢气作为一种可再生的、生态清洁的能源,在许多化学工业,如燃料电池制造、化学氢化、半导体加工等过程中扮演着重要的角色。随着化石能源的枯竭,氢气被认为是未来最有潜力的化石燃料替代品之一。工业上通常采用甲烷的蒸汽重组、裂解和电解水制氢,或者从工业生产过程中的废气里回收氢气。这些方法得到氢气中含有大量其他杂质气体,需要通过进一步处理来获得纯净的氢气。现阶段,工业上大规模应用的气体回收方法主要是通过低温蒸馏和变压吸附等手段将目标气体从混合气体中（如天然气或工业废气）分离出来。但是,这些方法不仅能耗大,操作复杂,并且其操作过程中所产生的副产品会对环境造成污染。近些年新兴的膜分离技术具有能耗低、生态友好、便于操作、无污染等优点,是一种清洁高效的气体净化技术。膜材料在膜分离技术中起着至关重要的作用,它直接决定混合气体中各气体分子的选择壁垒。近年来,随着膜技术和纳米技术的发展,一大批新型二维纳米材料被陆续合成出来。这些二维纳米材料具有原子层级别的厚度和广泛的孔径尺寸分布,为膜分离技术提供了优异的膜材料,促进了膜分离技术的飞速发展。本文利用第一性原理计算和分子动力学模拟相结合的方法,针对二维褶皱纳米材料磷烯,探究其纳米孔径和纳米通道在气体分离方面的应用可能性,为工业应用和实验研究提供一种新的选择。论文的研究内容和结果如下:磷烯具有良好的机械稳定性,并且随着空位缺陷的引入能使其形成自钝化的多孔磷烯,这为其在气体分离方面的应用奠定了基础。在实际分离过程中,膜孔受外界气压或应力的影响会发生形变。磷烯具有较小的杨氏模量,因而受外界压强或应力的作用下形变量较大。膜孔大小或形状的变化对分离效率的影响至关重要,因此研究应变对多孔磷烯在气体分离过程中的影响具有重要意义。通过第一性原理计算结合分子动力学模拟,我们的研究结果显示在应变和非应变条件下的自钝化多孔磷烯膜都可以用于从天然气（主要成分为甲烷、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氦气的混合气体）中高效地获取氦气。相比于甲烷、氮气、一氧化碳、二氧化碳等杂质分子,多孔磷烯对于氦气的选择性约为104～1018,在300 K下氦气的渗透率为10-3 mol m-2 s-1 Pa-1,均远远超过工业标准的要求。更重要的是,在微应变的调控下,多孔磷烯不仅可以保持对氦气的高选择性,渗透率也可以得到有效的调控。因此,我们的研究表明多孔磷烯是一种高鲁棒性、机械可调控的高效氦气净化半透膜,具有长远的工业应用前景。垂直堆叠的层状磷烯因其天然的褶皱结构,使得其内部可以形成不同尺寸的特定纳米通道,这些纳米通道可以用于气体分离。通过第一性原理计算与分子动力学模拟,我们的计算结果表明,在300K的常温下,磷烯纳米通道在层间最小距离为0.45～0.55nm时,可以实现从天然气混合分子中分离氦气。另外,当层间最小距离为0.45 nm时,可以实现氦气与稀有气体氖气的分离。除此之外,磷烯纳米通道在实现高选择性的同时,氦气的渗透率可高达～10-3 mol m-2 s-1 Pa-1。通过进一步计算发现,当磷烯纳米通道的层间最小距离为0.5～0.55nm时,可以从混合气体（甲烷,一氧化碳,二氧化碳）中高效的分离氢气,并且氢气的渗透率同样可达～10-3 molm-2s-1Pa-1。此外,相较于AA堆垛的磷烯纳米通道,AB堆垛的磷烯纳米通道可以将氢气和氦气的渗透率提高5～10倍。再者,在探究气体分离效率与通道长度的关系时,我们发现通道长度变化时基本不影响气体的选择性,同时当通道长度大于3nm而最小层间距大于0.45nm时,磷烯纳米通道对氦气和氢气的渗透率也不产生显著影响。我们的研究显示,垂直堆叠的磷烯纳米通道是一种高效的、可调控的分子筛分膜,具有良好的工业应用价值。