气体的混合是热力学自发过程。作为其可逆过程,气体分离需要外界做功,消耗能量。因此,如何降低能耗,实现高效的气体分离是当前分离领域的研究热点。相比于深冷分离法、化学吸收法、膜分离法等,物理吸附法作为一种低耗能、高效率的手段被工业界广泛使用。气体吸附分离的核心是高性能吸附剂的结构设计与制备。实际使用过程中要求吸附剂同时具备高的吸附量和选择性、优异的循环稳定性、快速的扩散传质速率以及耐水汽、酸气等性能。本论文以气体吸附分离应用需求为导向,遵循吸附剂设计的基本原则,通过溶液化学法制备了一系列新型纳米多孔炭吸附剂,并研究了其结构特性与吸附分离性能之间的关系。具体包括如下内容:(1)从自然界多级结构中得到启发,建立了一种表面能驱动的自组装方法制备多空腔纳米炭球。基于小尺寸纳米粒子的高表面能特性,首先制备纳米乳滴做为基本单元;随后通过聚合物前体在纳米乳滴表面预聚合,得到高表面能的小尺寸次级结构单元,;为了达到热力学稳定态,体系自由能将减小,次级单元会自发的聚集和组装形成低表面能的多空腔聚集体。多空腔聚合物经过纳米空间限域热解可得到空腔尺寸增大的多空腔纳米炭球。通过调节纳米乳滴尺寸并结合“纳米空间限域热解”的方法,空腔尺寸在8-68 nm范围内可调;调节反应物浓度,空腔个数在1-40范围内可控。当用于CO2吸附时,在298 K、1 bar条件下,多空腔纳米炭球的吸附量可高达4.5 mmol g-1,CO2/N2(17/83 v/v)IAST选择性达57,优于目前多数文献的报道值。(2)为了进一步增强扩散传质速率,提高微孔利用率,制备了二维纳米薄片多孔炭。首先选用具有特定分子结构的相变材料硬脂酸作为初始构筑基元,基于温控的相转变过程,得到二维硬脂酸纳米薄片,并对二维结构的形成过程和机制进行了详细的探究;随后借助氢键作用,诱导酚、醛、胺单体在硬脂酸薄片周围原位聚合,生成纳米薄片聚合物;经炭化热解转化为二维纳米薄片多孔炭,炭片厚度在24-61 nm范围内精确可调;结合化学活化方法,可显著提高纳米薄片多孔炭的微孔孔隙率。在298 K、1 bar下,纳米薄片多孔炭的CO2吸附量最高可达5.0 mmolg-1,CO2/N2(17/83 v/v)IAST选择性达161。动态穿透实验,表明纳米薄片多孔炭可实现CO2/N2混合气的完全分离;动态吸附量与静态测试值基本相同;循环20次后,吸附量保持不变;湿气对分离效果无影响,证实了纳米薄片多孔炭选择性高、扩散路径短、循环稳定好和耐水汽性的优点。确立的该合成方法为其它非球形结构纳米材料的精准合成提供了实验支撑和理论依据。(3)基于温控相转变过程和苯并噁嗪化学多样性,通过调节聚合物前体结构,得到孔隙通透的超微孔纳米炭片,微孔孔径在0.53-0.58nm范围内精确可调,实现了<2nm尺度下,对多孔炭材料微孔的精确控制。实验数据和粗粒化布朗动力学模拟结果表明,均匀微孔的形成归结于二维薄片结构有利于炭微晶的定向生长,炭样中sp2碳含量～80%,低含量的含氧官能团和sp3碳减弱了炭微晶之间的交联作用,同时二维结构的取向作用导致炭微晶之间趋向于平行排布,形成均匀的微孔。由于均匀微孔增强了主客体间van derWaals力,实现了吸附剂在低压(<0.1 bar)下对吸附质分子的大量、快速吸附。在298K、1bar 条件下,样品对 CO2、C2H4、C2H6、C3H8 的吸附量可高达 5.2、5.6、5.3、5.1 mmol g-1;CO2/CH4、C2H4/CH4、C2H6/CH4、C3H8/CH4(10/90 v/v)混合气的 IAST选择性分别为7、41、71、386。动态穿透实验,表明孔隙通透的超微孔纳米炭片可实现CO2/CH4、C2H4/CH4、C2H6/CH4、C3H8/CH4混合气的完全分离;动态吸附量与静态测试值基本相同;循环10次后,吸附量保持不变;湿气对分离效果无影响,证实了超微孔纳米炭片选择性高、扩散路径短、循环稳定好和耐水汽性的优点。