氦气(He)在众多科学和工业领域中都具有非常广泛的应用,He 资源的短缺和需求的不断增长使得He 分离具有极其重要的意义.石墨烷合成简单、晶体结构稳定,是一种用于构建气体分离膜的潜在理想二维材料.本文通过第一性原理计算,对四种具有不同尺寸冠醚孔的石墨烷膜(crown ether graphane-n,CG-n,n=3,4,5,6)的He 分离性能进行了研究.计算结果表明,四种冠醚石墨烷结构都具有较高的热力学、化学稳定性,并且CG-5 和CG-6 具有合适的孔径,可用于He 的有效筛分.在11 种气体分子(He,Ne,Ar,H₂,CO,NO,NO₂,N₂,CO₂,SO₂ 和CH₄)中,He 最容易通过CG-n 膜,其能垒分别为4.55,1.05,0.53 和0.01 eV.据我们所知,He 通过CG-6 的能垒是迄今为止报道的最低值,将可显著地提升He 的分离效率.基于阿伦尼乌斯方程的选择性计算结果表明,CG-5 在较宽的温度范围内(0—600 K)都表现出优异的He 选择性(相对于其他10 种气体),而CG-6 由于冠醚环孔径较大,仅相对于部分气体分子具有较好的He 选择性.本研究同时分析了膜孔径大小、气体分子动力学直径和气体分子类型对冠醚石墨烷膜的He 分离性能影响的协同机制.因此,孔径合适的冠醚石墨烷膜(CG-5 和CG-6)是一类潜在的选择性高、性能优异的 He 分离膜.