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研究表明，气体透过率与膜的厚度成反比关系[5]，因此，单层纳米多孔结构在气体分离提纯上有广阔的应用前景。自从将石墨打磨成单层的技术发展的很好之后，石墨烯受到越来越广泛的关注。石墨烯首先有很好的电学和光学性能，而给石墨烯打孔会有有趣的性能变化。在气体分离方面，实验[6]和理论[7]都证明了即使是最小的气体分子He也不能透过石墨烯中的苯环围成的孔洞。而当实验用电子束成功地将石墨烯打出可调控的孔之后[8]，关于调控石墨烯的孔径大小用于同位素、气体的分离模拟的工作就在世界范围内大量开展起来。Schrier在2010年报导了用多孔石墨烯分离He，用Gaussian软件计算了带孔的氢饱和团簇分离He和其他惰性气体及烷烃的性质[9]。Du等人用分子动力学模拟计算了多孔石墨烯分离氢气与氮气，并设计了多种孔径形状，系统研究了孔径大小对分离氢气和氮气的影响[10]。Hankel等人用Dmol3计算了锂掺杂的多孔石墨烯用于氢气同位素的分离[11]。Hauser用团簇模型、Gaussian软件计算了多孔石墨烯对He同位素的分离[12]。
氢气具有高燃烧值、产物无污染、可持续性的优点，作为未来重要的一种能源，对其提纯得到高纯度的氢气具有重要意义。炼厂气(包括催化重整尾气、加氢精制尾气、加氢裂化尾气和催化裂化干气)以及合成氨、合成甲醇排放气中回收氢气不但具有广阔的应用前景和显著的经济效益, 而且还可充分发挥它作为一种“绿色技术” 的节能和环保优势[13]。除此之外，蒸汽甲烷重构（steam-methane re-forming）过程是氢气一个重要来源，不可避免的会混合甲烷氮气等气体[14,15]。用多孔石墨烯对氢气和甲烷的气体分离已被广泛研究，Li 等人[16]合成了一种氧化石墨烯，厚度只有1.8 nm，氢气对甲烷和氮气的选择性在103左右。但是透过性只有300GPU (1 GPU = 3.35×10−10 mol m−2 s−1Pa−1), 这是由于氧化石墨烯上的孔密度较低，分布随意不均匀[17,18]。Peng等人[19]制成二维金属有机骨架材料(metal-organic frameworks，简称MOFs) 氢气的透过性达到3000GPU，对二氧化碳的选择性达到200以上。