毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：
文献综述
摘要 自从单层石墨烯在实验室被成功剥离，二维纳米材料的研究成为了一个热门课题。由于二维纳米材料的单原子厚度，使其极有可能作为分离膜在气体分离方面得到广泛应用。相比于其他的气体分离技术，膜分离方法有低能耗、无污染等优点，而且二维纳米材料能够兼顾气体的选择性和渗透率两个重要的气体分离指标。人们开始制备含孔二维材料，并使用第一性原理密度泛函理论计算或分子动力学模拟研究单层含孔二维材料的气体分离性能，寻找并开发合适的二维材料用以气体分离。
关键词 含孔二维纳米材料 气体分离 第一性原理 密度泛函理论 分子动力学模拟
2004年单层石墨烯[1]在实验中的成功剥离，掀起了一波二维纳米材料的研究热潮。人们开始研究二维纳米材料在各个领域的应用前景。作为一种新型材料，石墨烯由于各方面出色的性质而成为了科研领域与产业人士的关注焦点。例如，石墨烯是室温下已知最好的导电与导热材料，并且具有相当高的强度、极高的透光性与极大的比表面积，这能够使其成为多个领域的替代材料。为了发掘石墨烯在电子工业、能源储存、催化、气体吸收、分离、储存和传感方面的应用，人们合成了大量石墨烯相关的材料。最近，基于多孔纳米碳材料和金属有机物框架的气体吸附与分离的工作受到了越来越多的关注。特别是孔径可调、轻质稳定的碳基材料为这些应用提供了可能，很多结构特性可以通过合成方法的设计和控制来实现[2]。
由于二维纳米材料具有最薄的单原子厚度这一优点，使其有望在气体分离领域得到广泛应用。选择性与渗透率是两个重要的气体分离指标，但是二者难以同时兼顾。传统分离膜（如沸石、硅、聚合物等等）的孔径大小不一，它们的渗透率与厚度成反比。因此这些膜的渗透效率受其厚度和孔限制。孔的大小与分布十分规则的多孔晶格的概念被提出后，可以确保高效的渗透能力。但是对于完整的石墨烯来说，就连最小的He原子也无法透过，所以人们为了开发二维纳米材料的气体分离应用，使用电子束打孔或化学蚀刻等方法在完整的二维材料上打孔增加材料的透气性能或制备自身固有缺陷孔的二维材料研究其气体分离性能。 Blankenburg等人使用自上而下的方法将CHP组装形成多孔网状结构的石墨烯[3]。这种结构的石墨烯对H2和He相对其他气体展现出了良好的选择性。他们模拟将制备得到的多孔石墨烯吸附在含孔的Al2O3基底上，使用第一性原理计算得出H2、He相对另外几种气体的分离性能在室温下在103到1023范围内，渗透率超过10-6m-2s-1Pa-1,并发现了气体分子在孔周围受极化的影响与NH3易在孔附近形成氢键使扩散能垒升高的问题。
石墨烯类似物h-BN材料也在气体分离方面受到广泛关注。这种六边形的h-BN是一种被称为“白石墨烯”的单层材料，它由硼酸和尿素在一个高温下反应生成[4-6]。Nag A等人发现反应物中尿素的比例越高，生成的BN层数越少，尿素比例较高时生成的产物大部分只有1到4层[4]。这对于单层硼氮材料的制备有着重要的意义。同时h-BN具有良好的机械性能，Coleman等人发现在液体中剥离的h-BN可以用作筛选膜[7,8]。与石墨烯一样，气体分子无法透过完整的h-BN。如石墨烯一样，可以通过电子束冲击或化学蚀刻的方法在h-BN上打孔。有趣的是，Jin C H等人开创性的实验研究发现h-BN片的更容易形成以N为边缘的三角形孔结构[9]。他们使用了高能电子束照射的方法成功的在h-BN上得到一系列三角形孔隙，并使用一系列手段证明了这些三角形的孔隙边缘都由N原子组成，给出了这些三角形孔隙方向一致的原因。Zhang等人基于以上实验的观察，首先研究了孔边缘为N而无任何末端的h-BN片氢气和甲烷的吸附[10]。发现甲烷的C-H键在孔周围断裂，甲烷的H原子使小孔附近的N原子钝化，这意味着h-BN片孔周围悬空的N键并不稳定，认为h-BN的三角形孔被H完全或部分钝化了。之后设计了三种孔型的h-BN材料用于研究氢气与甲烷的分离性能。发现孔型为N9H9的h-BN膜具有良好的氢气/甲烷分离性能，其氢气的扩散势垒约为0.01eV，并且氢气的渗透率在很宽的温度范围内远远超出气体分离的工业标准。
