《国家”十三五”能源规划》提倡控制能源消费总量、大力发展清洁能源。作为新型清洁能源，生物甲烷路线理论捕集能耗仅为碳捕获和封存路线（CCS）的一半，且更具有减排能力^[1]。以有机污染物处理和生物能生产为目的的，厌氧发酵产生的生物沼气含有 50%～70% CH₄ 和 30%～50%CO₂，还包括水蒸气、H₂S、N₂、H₂ 和其他气体^[2]。厌氧发酵技术作为一种既可以处理有机废弃物，又能回收能源的工程技术，越来越受到重视。沼气可净化提纯为生物甲烷或生物燃气，从而与现有的区域性乃至跨国的天然气管网并网；也可通过压缩制成车用燃气，用于驱动各类汽车以至火车^[3]。实验中沼气的生产一般采用60℃的温度和 0.1MPa 的压力。对生物沼气的分离纯化，是沼气纯化成高甲烷含量的天然气过程中的一个关键问题。

目前，用作CO₂/CH₄的吸附材料的主要是微孔和中孔材料，可分为三大类：碳质吸附剂，多孔有机材料，沸石分子筛^[4]。沸石分子筛因为其分子的微观结构和分子的极性被用作气体分离材料。Madison等人开展了巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟研究二氧化碳和N₂在两笼型硅沸石上的吸附行为，发现CO₂ 的吸附由气体和吸附材料的库仑相互作用占主导，且可以通过表面改性可以增加CO₂的吸收和气体选择性；MOFs材料具有独特的结构特性：高比表面积（5000m²/g)、高孔隙体积（55-90％）、低密度（0.21~1.00g/cm³），可作为很好的CO₂吸附剂^[5]；多孔纳米结构碳材料由于其独特的孔隙结构，成本低，重量轻、合成的原材料充足等优点，是非常有前途的吸附剂。

在多孔纳米碳材料中，活性炭是最广泛使用的吸附剂，它的作用主要来源于其庞大的微孔、中孔体积和由此产生的高比表面积。活性炭是人工合成的碳质吸附材料，人们通常通过在高温下热分解和活化形成。活性炭拥有与石墨类似的定型结构和无定型的结构，有良好的化学稳定性和机械性能，其几何结构经常表现为多孔分布，分布在几十纳米到几百纳米间，并且其价格相当便宜。有序介孔碳是一种独特的多孔碳，298 K、压力高达800Torr下，其二氧化碳和甲烷的吸附平衡和吸附动力学显示二氧化碳和甲烷的吸附容量分别为2.39 mmol/g和0.53mmol/g。这表明其有潜在的CO₂分离能力。规则的孔径分布和大的孔体积使有序介孔碳成为理想的气体分离和净化吸附剂^[6]。

而单壁碳纳米管管径可调和对气体分子的物理吸附，使得其可以作为理想性的模型材料来研究在碳基膜材料中的气体微观性质。碳纳米管对CO₂/CH₄混合物的吸附分离选择性相比其他材料（活性炭、13X 分子筛和 MOF）都要大。由于 CNT 管道内气体分子摩擦几乎可以忽略，气体分子在其中可高速扩散，因此 CNT 内气体有较高的渗透通量^[7]。碳纳米管具有高比表面积、 耐腐蚀、 高化学稳定性及热稳定性等优点, 且具有良好的导热、 机械、导电及吸附性能，可作为一种理想的吸附材料^[8]。

碳纳米管（CNT）具有独特的空心管状结构，向表面引入杂原子可调控其电子特性，赋予CNT优异的物理化学性能。前期研究表明，低负电性的硼、磷原子以氧化物形式修饰CNT能够提高烷烃氧化脱氢反应的选择性。密度泛函理论计算表明，氮原子周围的碳原子显示正电性质并处于缺电子状态，使得CNT的表面结构具备一定的Lewis碱性，临近碳原子的化学活性增强，有利于在表面形成丰富的活性官能团^[9]。氮掺杂结构不仅能够稳定负载金属纳米颗粒，实现较高的金属分散度和较窄的粒子尺度分布，其本身亦可催化Knoevenagel（缩合）、甘油三酯转化、电化学氧还原等反应^[10]。近年来，氮掺杂结构合成及性能研究已经成为纳米碳及催化材料领域的研究热点^[11]。

Yu，Wen等人^[12]采用DMOL3软件提供的局域轨道密度泛函方法研究不同氮掺杂方式下（10,0）单壁碳纳米管（SWCNT）的电子结构，应用广义梯度近似（GGA）方法处理电子间的交换关联作用，其具体形式为Perdew-Burke-Ernzerhof格式，基函数采用具有极化泛函的双数值基组（DNP）。得到结论：当氮原子取代CNT中的碳原子时，（10,0）SWCNT转变为n型半导体，当氮原子吸附在CNT表面时，（10,0）SWCNT转变为p型半导体，同时与吸附氮原子相连碳原子的p轨道上的小部分电子被激发到d轨道上。

Liu H B等人^[13]以二乙烯苯和1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐共聚物为原料，铁氰化钾作催化剂前驱体，在600~1000℃下固相碳化制备了掺氮纳米碳管（NCNT）块体。利用SEM、TEM、Raman、XPS、物理吸附等对样品进行表征。采用KOH在600~800℃下对NCNT进行活化，发现处理温度和时间是影响其孔结构的关键因素。CO₂吸附实验表明，单位孔容的微孔吸附量与碳材料表面氮含量之间存在明显的线性关系。

K. Vasanth Kumar等人^[14]使用分子模拟的方法研究N掺杂对298K下碳纳米管中的CO₂/N₂吸附选择性的影响。其研究结果表明，N掺杂虽然可以提高CO₂/N₂的吸附选择性，但效果甚微。CO₂的吸附和CO2/N₂的选择性主要由孔结构以及微孔尺寸控制，线性CO₂分子平放于碳原子表面更有利于在狭缝孔结构的CO₂吸附。他们还通过分子模拟证明，如果材料具有无序的孔结构和复杂的表面化学，N掺杂的效应可能难以通过实验来举例说明。

Beatrice Adeniran和Robert Mokaya^[15]通过碳前体的活化和有机盐的碳化等一系列合成方法，制备得到一系列无N或N掺杂的，具有紧密匹配的孔隙率的碳材料。通过测定氮的吸附等温线和结构性质等手段，得出结论：N掺杂对CO₂的吸附没有促进作用。他们发现氮的存在并非像之前的研究所提到的，对CO₂在碳纳米管中的吸附有决定作用。相反，他们的研究表明CO₂只对碳的低压吸附对孔径大小非常敏感，特别是微孔尺寸分布于5-10Aring;的孔径范围内。此外，他们还发现，孔径对CO₂吸附的等熵热和CO₂对N₂的选择性影响很大。