基于文獻(xiàn)計(jì)量分析的多孔碳吸附研究進(jìn)展

關(guān)娟娟,陳愛俠,衛(wèi) 瀟,張奕軒,胡蕊蕊,張 磊 (長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

多孔碳是一種以碳為骨架的多孔結(jié)構(gòu)材料,近年來在吸附領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1-2].多孔材料分為3類:微孔(＜2nm)、介孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)[3].微孔和介孔的存在會(huì)大大增加多孔碳材料的比表面積.大孔雖然對(duì)多孔碳材料的總比表面積貢獻(xiàn)較小,但其為吸附劑進(jìn)入大多數(shù)吸附反應(yīng)發(fā)生的介孔和微孔表面提供了通道,從而提高了吸附效率[4].

最早被 Web of Science (WoS)核心合集的Science Citation Index Expanded (SCI-E)數(shù)據(jù)庫收錄的關(guān)于多孔碳吸附的文章是在 1997年發(fā)表的.Jaroniec等[5]的研究表明熱力學(xué)方法和基于FHH方程的方法均適用于多孔固體分形的研究,但應(yīng)用時(shí)仍需進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?在過去的幾十年里,由于多孔碳優(yōu)異的吸附性能,其在去除雜質(zhì)和有毒物質(zhì)方面的應(yīng)用得到了極大發(fā)展.Chen等[6]制備了富含氨基和硫醇基團(tuán)的碳層包覆Fe3O4/氧化石墨烯納米復(fù)合材料,可同時(shí)高效去除離子染料和有毒金屬離子.由于分子尺寸效應(yīng),多孔碳材料的多孔性最適合捕獲和存儲(chǔ)小分子氣體,尤其是微孔碳[7].Pu等[8]采用水熱碳化和化學(xué)活化法制備的一系列高微孔率活性炭具有較高的CO2吸附能力.

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是一種集數(shù)據(jù)收集、分析、整理和顯示于一體的新方法[9].通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的定量研究,揭示學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu),理清學(xué)科發(fā)展脈絡(luò),找出其變化規(guī)律,進(jìn)而預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì),該方法逐漸成為預(yù)測(cè)各學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)的重要手段.21世紀(jì)以來,文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)被廣泛用于許多學(xué)科或領(lǐng)域,如社會(huì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等[10-11].到目前為止,多孔碳在吸附領(lǐng)域的論文逐漸增多,但有關(guān)多孔碳吸附的科學(xué)計(jì)量分析研究尚未見報(bào)道.

本文基于WoS核心合集中的SCI-E數(shù)據(jù)庫和CNKI數(shù)據(jù)庫,檢索了多孔碳吸附領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn).采用 Bibliometrix程序包,Bibliometric平臺(tái)和 VOS viewer軟件對(duì)SCI-E數(shù)據(jù)庫的年發(fā)文量、文獻(xiàn)類型、出版語言、學(xué)科、期刊、作者、研究機(jī)構(gòu)、國家、高被引文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析.采用Citespace軟件對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析,通過對(duì)國內(nèi)外多孔碳吸附的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià),揭示該領(lǐng)域的研究歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì),挖掘研究熱點(diǎn)內(nèi)容.此外,本文還分析了比較活躍的作者和國家及其合作現(xiàn)狀.希望通過本文的研究能夠?yàn)檠芯空吡私馐澜绶秶鷥?nèi)該領(lǐng)域的總體研究狀況提供支持,并為更好地把握未來的研究方向提供思路.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取多孔碳吸附領(lǐng)域截止到 2021年的 SCI-E和CNKI數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)作為研究對(duì)象.以WoS核心合集中 SCI-E引文索引為數(shù)據(jù)源,利用數(shù)據(jù)庫高級(jí)檢索功能,提取全球主題為“porous carbon adsorption”的文章,共檢索16417篇.為了提高文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,確定檢索式為TS＝(porous carbon) and AK＝(adsorption),依據(jù)檢索結(jié)果的相關(guān)性排除不相關(guān)文獻(xiàn),截止2022年4月8日,有效檢索結(jié)果為3566條.另外,以主題 “多孔碳吸附”和“多孔炭吸附”為檢索詞,采用CNKI數(shù)據(jù)庫高級(jí)檢索,匹配程度設(shè)為“精確”,共獲得國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊文獻(xiàn)183篇.

1.2 數(shù)據(jù)分析

研究路線如圖1所示.利用多種工具對(duì)年發(fā)文量、文獻(xiàn)類型、出版語言、學(xué)科、期刊、作者、機(jī)構(gòu)、國家、高被引文獻(xiàn)、關(guān)鍵詞等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.Bibliometrix是綜合科學(xué)制圖分析的R工具,由R語言編制而成.Bibliometric平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)跨國合作網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可視化,應(yīng)用 VOSviewer軟件對(duì)SCI-E數(shù)據(jù)庫作者間的合作關(guān)系、參考文獻(xiàn)的共引以及關(guān)鍵詞的共現(xiàn)性進(jìn)行分析,以揭示文獻(xiàn)間知識(shí)流動(dòng)和轉(zhuǎn)移,并反映文獻(xiàn)間的相似性、親密性和引證關(guān)系,探討全球在多孔碳吸附領(lǐng)域研究的動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì).CiteSpace軟件可以對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫中多孔碳吸附領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)研究.

圖1 研究路線Fig.1 Research roadmap

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)庫基本信息

表1表明,檢索的1997～2021年的3566篇SCI文獻(xiàn)來自541種不同的期刊和書籍.8885位研究人員參與發(fā)表,共有7828個(gè)作者關(guān)鍵詞.值得注意的是,單個(gè)作者發(fā)表文章僅有59篇,占總發(fā)文量的1.65%,平均每篇文章共著者4.98人,合作指數(shù)達(dá)到2.52.

表1 數(shù)據(jù)庫的基本信息(1997～2021)Table 1 Basic information of the database (1997～2021)

發(fā)文量可在一定程度上反映該領(lǐng)域的發(fā)展走勢(shì)和研究規(guī)模.由圖2可以看出,1997～2009年呈現(xiàn)輕微波動(dòng)趨勢(shì),本文將其定義為多孔碳吸附領(lǐng)域的萌芽研究期.2010年以來發(fā)文量總體呈指數(shù)上升趨勢(shì),2010～2016年為研究初期,呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì),近 5a上升速度明顯加快,為多孔碳吸附領(lǐng)域的成長(zhǎng)開發(fā)期,可見本領(lǐng)域的研究規(guī)模不斷擴(kuò)大.

圖2 1997～2021文獻(xiàn)數(shù)量的年際變化Fig.2 Interannual variation in the number of literature from 1997 to 2021

圖3(a)顯示,檢索結(jié)果中的文獻(xiàn)分為研究型論文(Articles)、會(huì)議論文(Proceedings papers)、綜述(Review Articles)等,其中研究性論文(3303)以92.62%的比例占據(jù)了絕大多數(shù),其次是會(huì)議論文(143)和綜述(115),分別占 4.01%和 3.22%.圖3(b)顯示,英語仍是主要語種,其中英語類文獻(xiàn)達(dá)到98.40%,其他種類語言文獻(xiàn)僅占1.60%.

圖3 1997～2021文獻(xiàn)類型和語言分布情況Fig.3 Distribution of literature types and languages from 1997 to 2021

2.2 學(xué)科和期刊分布

2.2.1 學(xué)科分布 Web of Science數(shù)據(jù)庫的學(xué)科分類體系是眾多學(xué)科分類體系中比較精細(xì)的一種,涵蓋了250多個(gè)學(xué)科,WoS核心合集所收錄的每一份期刊和書籍都屬于至少一個(gè)學(xué)科類別,通過一篇文章的所屬學(xué)科可以了解其大致研究方向.據(jù)統(tǒng)計(jì),檢索到的文獻(xiàn)共涉及84個(gè)學(xué)科類別.表2顯示,發(fā)文量排在首位的學(xué)科是Engineering Chemical,其在1997～2021年的發(fā)文量達(dá)到 1075篇,占總發(fā)文量的 30.15%;其次是Chemistry Physical學(xué)科,發(fā)文量為848篇,占總發(fā)文量的23.78%;排在第3～5位的學(xué)科發(fā)文量較為相近,分別占總發(fā)文量的18.65%、17.47%和16.69%.因此,多孔碳吸附領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容呈現(xiàn)以化學(xué)工程學(xué)科為主,同時(shí)向多學(xué)科結(jié)構(gòu)、多元化發(fā)展的趨勢(shì).

表2 1997～2021文獻(xiàn)數(shù)量排名前10的學(xué)科Table 2 Top 10disciplines in terms of number of literature from 1997 to 2021

2.2.2 期刊分布 結(jié)合期刊的學(xué)科類別,有助于研究人員根據(jù)自己的研究方向選擇重點(diǎn)期刊進(jìn)行投稿和閱讀.因此,本文引入H指數(shù)和JCR影響因子來表征期刊水平.H指數(shù)綜合了總發(fā)文量和總被引量的排名,可以更有效地表征期刊的研究質(zhì)量[12].JCR影響因子是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的表征期刊學(xué)術(shù)水平的指標(biāo)[13].檢索到的多孔碳吸附領(lǐng)域的文獻(xiàn)來自 541種期刊,按照H指數(shù)由高到低排序,選取前10個(gè)頂級(jí)期刊進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表3.10本期刊的平均影響因子為8.506,最高達(dá) 13.273,由此可見,這些期刊刊登了多孔碳吸附領(lǐng)域相對(duì)較多的高水平文獻(xiàn),在該領(lǐng)域有著較強(qiáng)的影響力.其中, Chemical Engineering Journal的發(fā)文量、近25a和近5a被引次數(shù)、影響因子均位列榜首,遠(yuǎn)高于其他期刊,說明本期刊所錄文章在多孔碳吸附領(lǐng)域內(nèi)有很高的關(guān)注度.它分別聚焦于化學(xué)反應(yīng)工程,環(huán)境化學(xué)工程和材料合成與加工等,全面關(guān)注具有普遍意義的原創(chuàng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯砍晒?從 H指數(shù)上看, Journal of Hazardous Materials位列第2, Applied Surface Science位居第3.這兩個(gè)期刊的發(fā)文量相對(duì)較高,它們近25a和近5a被引次數(shù)也位居前列.

表3 1997～2021年H指數(shù)排名前10的期刊Table 3 Top 10 journals in H-index from 1997 to 2021

領(lǐng)域內(nèi)25a來總被引最高的期刊中收錄的文章包含了經(jīng)典或熱門的研究方向,在一定程度上可以起到領(lǐng)域研究風(fēng)向標(biāo)的作用.將 1997～2021年發(fā)表在Chemical Engineering Journal上的227篇文章提取出來,通過關(guān)鍵詞研究其共同特點(diǎn).這些文章中,部分是以吸附材料本身為研究對(duì)象,含有關(guān)鍵詞activated carbon, porous carbon, nanoparticles;部分注重材料的吸附規(guī)律研究,含有關(guān)鍵詞 equilibrium,kinetics, performance;另外一些文章強(qiáng)調(diào)對(duì)水中污染物的吸附,含有關(guān)鍵詞 aqueous-solution, water,waste-water等.

高水平期刊中具有較高被引量的文章一般具有引領(lǐng)性或創(chuàng)新性,研究?jī)?nèi)容和結(jié)論往往值得相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注.“Synthesis of porous MgO-biochar nanocomposites for removal of phosphate and nitrate from aqueous solutions”是2012年發(fā)表在Chemical Engineering Journal中被引頻次最高的文章,高達(dá)361次,該文章開發(fā)了一種創(chuàng)新且簡(jiǎn)單的方法來合成多孔 MgO-生物炭納米復(fù)合材料,對(duì)磷酸鹽和硝酸鹽具有優(yōu)異的吸附能力[14].“Guidelines for the use and interpretation of adsorption isotherm models: A review”是 2020年發(fā)表在 Journal of Hazardous Materials中被引頻次最高的文章,高達(dá) 430次,該文章強(qiáng)調(diào)了吸附數(shù)據(jù)建模是預(yù)測(cè)吸附機(jī)理的重要方法,討論了在不同應(yīng)用中使用單/多參數(shù)等溫線模型的指南[15].吸附等溫線模型可以描述吸附劑和吸附質(zhì)在恒溫下的相互作用機(jī)制.因此,了解各種吸附質(zhì)和吸附劑的最佳擬合模型,對(duì)預(yù)測(cè)各種吸附系統(tǒng)的吸附機(jī)制非常重要.

2.3 領(lǐng)域研究力量分析

2.3.1 作者分析 在發(fā)文量不小于 5篇的作者中,選取總被引量排名前10的作者列于表4.可見,多孔碳吸附領(lǐng)域總被引量最高的是來自武漢理工大學(xué)的Yu Jiaguo,高達(dá) 1605次;其次是來自清華大學(xué)的Wang Bin和來自美國University of Florida的Gao Bin,總被引頻次分別為1052次和 1032次.另外,10名作者中共有6名作者來自中國,其中有4名作者都來自清華大學(xué),表明中國研究人員對(duì)該領(lǐng)域的研究十分關(guān)注.

表4 1997～2021引文總量排名前10位的作者Table 4 Top 10 authors in total citations from 1997 to 2021

圖4(a)顯示,與 Li Liqing鏈接較多的作者有Zeng Zheng, Liu Baogen, Chen Ruofei和Li Hailong,與Yan Yongsheng鏈接較多的作者有Dai Jiangdong,Li Chunxiang和Xie Atian,與WangLiang鏈接較多的作者有Zhang yan, Deng Shuguang和Zhang Peixin.3位學(xué)者分別形成了各自的學(xué)術(shù)集團(tuán),表明這些學(xué)者在本領(lǐng)域中知名度較高且與領(lǐng)域內(nèi)其他學(xué)者合作緊密.在被引量較高的作者中,與Yu Jiaguo鏈接較多的作者有Cheng Bei和Zhou Jiabin,與Wang Bin鏈接較多的作者有Yu Gang, Deng Shubo和Huang Jun,這7位學(xué)者中有6位都是被引量前10的作者,表明高被引量的學(xué)者之間合作緊密.

在圖4(b)中, 發(fā)文量最多的作者是來自 Kent State University的Jaroniec mietek,其發(fā)文量達(dá)21篇,總被引頻次為550次,表明該作者在多孔碳吸附領(lǐng)域有著大量深入的研究.在發(fā)文量較多的作者中,形成了以Jaroniec Mietek, Park Soo-jin, Saha Bidyut baran, Srinivasakannan C.和Li Liqing 5位學(xué)者為核心的學(xué)術(shù)集團(tuán).另外,根據(jù)平均發(fā)表年份可以看出,這5個(gè)學(xué)術(shù)集團(tuán)在本領(lǐng)域活躍的先后順序?yàn)镴aroniec Mietek, Srinivasakannan C., Park Soo-jin, Saha Bidyut baran和Li Liqing.

圖4 多孔碳吸附領(lǐng)域合作網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Co-authorship network in the field of porous carbon adsorption

2.3.2 機(jī)構(gòu)分析 表5顯示,被引頻次最高的 3個(gè)機(jī)構(gòu)是中國科學(xué)院、Kyushu University和清華大學(xué),分別達(dá)303、244和208次,說明它們?cè)诒绢I(lǐng)域發(fā)表的科研成果有著很高的國際認(rèn)可度.其中,中國科學(xué)院的總被引頻次和總發(fā)文量均位居第1,其25a間發(fā)表量高達(dá)218篇.Universiti Sains Malaysia的平均被引次數(shù)最高,為每篇6.54次.前10機(jī)構(gòu)中有5所都位于中國,體現(xiàn)了該領(lǐng)域內(nèi)中國強(qiáng)大的科研影響力.

表5 1997～2021總被引次數(shù)排名前10位的研究機(jī)構(gòu)Table 5 Top 10 research institutions in terms of total citations from 1997 to 2021

2.3.3 國家分析 圖5顯示,多孔碳吸附領(lǐng)域發(fā)文量最多的國家是中國,高達(dá) 1653篇,遙遙領(lǐng)先其他國家.其次是印度和美國,分別為183篇和 168篇.從發(fā)文量前10的國家中可以看出,除了法國以外僅由本國作者發(fā)表的論文數(shù)量都遠(yuǎn)高于多國作者合作發(fā)表的論文數(shù)量,說明國際交流性不強(qiáng),還需進(jìn)一步提高.

圖5 在多孔碳吸附領(lǐng)域的10大發(fā)文量國家Fig.5 Top 10most productive countries in porous carbon adsorption

圖6顯示,從總被引頻次角度分析,中國、美國、印度和韓國依然是排名前 4的國家,其中中國的優(yōu)勢(shì)格外突出,其文章總被引量約是第2名美國的5.63倍.而在平均被引頻次方面,美國、西班牙和澳大利亞位居前3,分別高達(dá)43.47,37.74,36.40次/篇,表明這3個(gè)國家所產(chǎn)出的科研成果具有較大影響力,有較高的閱讀和引用價(jià)值.我國是該領(lǐng)域發(fā)文量最多的國家,因此文獻(xiàn)被引頻次相對(duì)較低,說明中國在該領(lǐng)域有著一定的學(xué)術(shù)影響力,但相比于國外先進(jìn)水平還有一定的差距,需進(jìn)行深入研究.科研成果的產(chǎn)生離不開全世界科學(xué)家的共同努力,在當(dāng)今全球化的趨勢(shì)下,國家之間合作進(jìn)行科學(xué)研究的模式更是起到了推動(dòng)作用,多孔碳吸附領(lǐng)域內(nèi)參與研究的各國也普遍有對(duì)外合作情況.

圖6 多孔碳吸附領(lǐng)域總被引量排名前10的國家Fig.6 Top 10 countries in total citations in porous carbon adsorption

圖7表明,國際合作最為活躍的國家為法國、日本和美國,其中我國對(duì)外合作關(guān)系中,與美國的合作最為密切,其次是澳大利亞和英國.

圖7 1997～2021在多孔碳吸附領(lǐng)域的國際合作網(wǎng)絡(luò)Fig.7 International cooperation network in porous carbon adsorption from 1997 to 2021

2.4 高被引論文和可視化共引網(wǎng)絡(luò)

通過高被引文獻(xiàn)可洞察某領(lǐng)域在一定時(shí)間內(nèi)有影響力的作者和重要的研究主題.表6顯示,排名前2的文章總被引頻次分別為838和792,遠(yuǎn)高于其他文章,其平均每年被引頻次也均位居前列,說明這兩篇高被引文獻(xiàn)的影響力之大.值得注意的是,Al-Ghouti MA在2020年發(fā)表的題名為“Guidelines for the use and interpretation of adsorption isotherm models: A review”的文章年均被引頻次位居第1,高達(dá)143.33,同時(shí)也是近5a內(nèi)多孔碳吸附領(lǐng)域被引頻次最高的文章,說明吸附數(shù)據(jù)建模受到了科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.其中,來自印度的Gupta VK等2013年在Environmental Science and Pollution Research上發(fā)表的題名為“Sorption of pollutants by porous carbon, carbon nanotubes and fullerene- An overview”的文章總被引頻次位列第 1,該篇綜述了多孔碳、碳納米管和富勒烯材料對(duì)水溶液中各種有機(jī)和無機(jī)污染物的吸附活性,詳細(xì)介紹了它們的制備、處理方法以及相關(guān)的應(yīng)用和再生[16].總被引頻次排名第2是來自美國Pennsylvania State University的Song JX等2014年在Advanced Functional Materials上發(fā)表的題為“Nitrogen-Doped Mesoporous Carbon Promoted Chemical Adsorption of Sulfur and Fabrication of High-Areal-Capacity Sulfur Cathode with Exceptional Cycling Stability for Lithium-Sulfur

表6 1997～2021在多孔碳吸附領(lǐng)域被引用最多的10篇文獻(xiàn)Table 6 Top 10 most cited papers in porous carbon adsorption from 1997 to 2021

Batteries”的文章,該篇報(bào)道了一種新型介孔氮摻雜碳-硫納米復(fù)合材料作為鋰硫電池的正極材料,證明氮摻雜可以通過促進(jìn)氧官能團(tuán)的吸附從而有效地誘導(dǎo)硫在高表面積碳骨架上的化學(xué)吸附[17].這些論文的發(fā)表對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用.

此外,檢索到的3566篇數(shù)據(jù)共涉及106229條參考文獻(xiàn),將參考文獻(xiàn)的最低被引數(shù)量設(shè)置為45,得到47條較高被引文獻(xiàn)利用 VOSviewer軟件進(jìn)行共引分析.如圖8所示,右側(cè)集群中 Langmuir Irving在1918年發(fā)表在 Journal of the American Chemical Society的文章被引頻次以271次位居第1,是納米技術(shù)發(fā)展史上的一件開山之作.首次提出了單分子膜的概念,長(zhǎng)期以來一直受到吸附界的關(guān)注,自發(fā)文以來產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.被引頻次第2和第3的參考文獻(xiàn)為位于中部集群的“Sing KSW, 1985, Pure and Applied Chemistry”和位于右側(cè)集群的“Freundlich HMF, 1906, Journal of Physical Chemistry”,被引頻次分別為236和221次.

圖8 被引文獻(xiàn)的可視化共引網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Visualized co-citation network of the cited references

2.5 SCI-E數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞分析和發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)鍵詞通?？煞从澄墨I(xiàn)的研究主題和研究成果的核心內(nèi)容,通過對(duì)關(guān)鍵詞的統(tǒng)計(jì)與分析可以準(zhǔn)確把握某一研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及未來研究方向,也可為今后的科學(xué)研究提供進(jìn)一步的發(fā)展方向.檢索到的文獻(xiàn)共涉及 7828個(gè)作者的關(guān)鍵詞,用 VOS viewer軟件對(duì)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析,將關(guān)鍵詞的最低出現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為20,得到了87個(gè)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系,構(gòu)建了多孔碳吸附為主題的疊加知識(shí)圖譜.如圖9所示, 1997～2021年間,除了 adsorption, porous carbon為主要檢索的關(guān)鍵詞外,主要的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞大致集中在 activated carbon, CO2adsorption,methylene blue, biochar, porous materials, kinetics上,且這些關(guān)鍵詞總是相伴出現(xiàn),它們之間有著相當(dāng)強(qiáng)的共現(xiàn)關(guān)系,說明近年來多孔碳吸附領(lǐng)域的研究主要集中在材料制備方法、氣體捕捉、有機(jī)污染物吸附、吸附過程研究等方面.值得注意的是,2019～2020年主要涉及的關(guān)鍵詞是生物炭,這說明近年來研究人員在生物炭方向投入了更多的科研力量,有可能成為一個(gè)持續(xù)的研究熱點(diǎn).

圖9 作者關(guān)鍵詞的疊加知識(shí)圖譜Fig.9 Overlay knowledge graph of author keywords

碳納米管、石墨烯、生物炭等是制備多孔碳材料的常用碳源.石墨烯是一種二維單層sp2雜化共軛碳原子[18],氧化石墨烯是石墨烯的一種衍生物,其片層的表面和邊緣存在各種親水性氧化官能團(tuán)(羥基、羧基和環(huán)氧基)[19],在制備多孔碳材料方面具有很大的優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是一種極強(qiáng)的吸附材料,其吸附能力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的碳基吸附材料.近年來,生物質(zhì)作為一種富含元素碳的可再生資源,資源豐富且對(duì)環(huán)境友好[20-21],因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和良好的吸附性能,越來越受到學(xué)者們的關(guān)注.開發(fā)和應(yīng)用廉價(jià)、綠色、可持續(xù)的碳源,特別是生物質(zhì)源,生產(chǎn)性能優(yōu)異的多孔碳材料是未來碳材料領(lǐng)域不斷追求的目標(biāo)之一.

制備多孔碳材料的方法可分為碳化法和活化法.直接碳化法,又稱高溫?zé)峤夥?是將碳源物質(zhì)在氮?dú)?、氬氣等惰性氣體的保護(hù)下,通過水分子蒸發(fā)、高分子降解、高溫分解等一系列物理化學(xué)變化,去除碳源中非碳元素和易揮發(fā)成分,最終形成多孔碳[22].直接碳化過程中的升溫速率、碳化溫度、保溫時(shí)間和氣體流量直接影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能,工藝雖然簡(jiǎn)單,但是得到的碳材料比表面積和孔隙率都有限,極大的影響了其應(yīng)用性能[23].目前,活化法已被廣泛應(yīng)用于多孔碳材料的制備,活化過程的主要作用是發(fā)展孔隙結(jié)構(gòu),增加比表面積以及形成活性表面官能團(tuán),分為物理活化和化學(xué)活化兩種方法[24].物理活化法通常由兩步組成,先碳化后活化,碳前驅(qū)體在惰性氣體保護(hù)下,在低于 800℃的溫度下發(fā)生熱解,去除揮發(fā)性物質(zhì),留下基本的碳結(jié)構(gòu).接下來,在 CO2、水蒸汽或者空氣等活化劑作用下開始活化步驟,活化步驟相較于碳化步驟需要更高的溫度.不同于物理活化,在化學(xué)活化過程中,碳化和活化同時(shí)進(jìn)行,所需溫度相比物理活化法較低,因此在化學(xué)活化過程中多孔結(jié)構(gòu)發(fā)展地更均勻[25].另外,活化過程中的保溫時(shí)間、熱解溫度、活化劑種類及用量等條件都會(huì)直接影響產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能[26].

多孔碳由于其易修飾性、物理化學(xué)穩(wěn)定性以及孔隙率可靈活調(diào)節(jié)性而逐漸成為CO2吸附研究的熱點(diǎn)[27-28].為應(yīng)對(duì)氣候變化,中國提出了“CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo).因此,CO2捕集、利用和封存(CCUS)在未來一段時(shí)間里將持續(xù)成為科學(xué)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn),其關(guān)鍵是選擇性地從氣體混合物中捕集CO2.

近年來越來越多的學(xué)者開始投入到污染治理等領(lǐng)域的研究中來,而多孔碳材料憑借其自身獨(dú)特的理化性質(zhì)及良好的吸附性能,越發(fā)受到環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注,尤其是水處理方面.由于多孔碳材料優(yōu)異的吸附性能,使得其在污水處理方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值,用于吸附重金屬離子、染料、有機(jī)污染物、內(nèi)分泌污染物等[29-31].涉及污染物的高頻關(guān)鍵詞有methylene blue, congo red, dye, tetracycline等.在過去的幾十年中,多孔碳材料在去除雜質(zhì)和有毒物質(zhì)等方面的應(yīng)用得到極大發(fā)展[32].另一方面,隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格,多孔碳吸附材料的使用量大大增加.環(huán)境領(lǐng)域碳材料的未來發(fā)展著眼于降低成本、提升吸附量、加快吸附速率以及提升再生能力.

圖9顯示,關(guān)鍵詞regeneration在多孔碳吸附領(lǐng)域也處于很重要的地位,與其他熱點(diǎn)關(guān)鍵詞聯(lián)系緊密.在吸附過程中吸附劑的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生改變,因此,再生性能也是評(píng)價(jià)吸附劑性能的重要因素之一.多孔碳吸附過程離不開研究 kinetics,isotherms和 thermodynamics.吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以利用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和粒子內(nèi)擴(kuò)散模型來進(jìn)行分析[33].吸附等溫線一般用于描述吸附質(zhì)在吸附過程如何在液體和固相之間達(dá)到平衡狀態(tài),最常用吸附等溫模型是 Langmuir和Freundlich方程,前者是假設(shè)吸附劑表面均勻且吸附發(fā)生在單分子層,而后者是假設(shè)吸附過程是多分子層非均勻吸附[34].熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系常用Gibbs-Helmholtz公式表示[35].關(guān)鍵詞mechanism大多涉及微孔填充、范德華力作用、π-πEDA 作用、靜電作用以及氫鍵作用中的一種或幾種[29,36].

關(guān)鍵詞進(jìn)行分階段研究,可以揭示一個(gè)研究領(lǐng)域熱點(diǎn)內(nèi)容的演變歷程.為此,按照發(fā)表時(shí)間將1997～2021 年分為1997～2009 年、2010～2016 年以及2017～2021年3個(gè)時(shí)段,將所選文獻(xiàn)集的關(guān)鍵詞按照出現(xiàn)頻率排序,并提取前10名作為熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行研究.發(fā)現(xiàn)adsorption和activated carbon在3個(gè)階段中均穩(wěn)居前2,說明活性炭一直以來都占據(jù)著多孔碳吸附領(lǐng)域內(nèi)研究的中心地位.同時(shí)發(fā)現(xiàn)1997～2009年作為多孔碳吸附領(lǐng)域研究的萌芽期,前10的關(guān)鍵詞中有 3個(gè)都與材料的理化性質(zhì)有關(guān),分別為porosity, molecular simulation和pore size distribution,說明基礎(chǔ)研究在科研領(lǐng)域內(nèi)起著非常重要的奠基作用.對(duì)比2010～2016年與近5a的關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn),有8個(gè)相同的關(guān)鍵詞仍在前10, 2010～2016年間的porous materials和 CO2capture變?yōu)榱私?5a間的biochar和biomass,表明生物質(zhì)多孔碳材料越來越受到研究者們的關(guān)注.另外,在 2010～2021階段排名前10的關(guān)鍵詞中均出現(xiàn)carbon dioxide, CO2adsorption和CO2adsorption,說明2010年至今CO2排放與多孔碳吸附議題之間有著十分緊密的學(xué)術(shù)聯(lián)系.

對(duì)近5a發(fā)表的文獻(xiàn)按照關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率排序,提取前10名作為熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)一步研究,如表7所示.2017～2021年穩(wěn)居前10的關(guān)鍵詞有adsorption,activated carbon, CO2adsorption, porous carbon和biochar,且它們的頻率基本呈現(xiàn)上升或輕微波動(dòng)趨勢(shì).值得注意的是,2017～2018年 biochar排名第10,2019～2021年上升到了前 5,且 biomass在 2019年第一次出現(xiàn)在前10后居高不下,說明近3a生物炭方向是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn).methylene blue, carbon和kinetics這3個(gè)關(guān)鍵詞在近5a中有4a都位居前10,表明碳材料的動(dòng)力學(xué)和對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附研究一直是多孔碳吸附領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).另外,關(guān)鍵詞isotherm和regeneration近5a中分別在2017年和2018年上榜前10,說明等溫線和再生研究是該階段的主要研究?jī)?nèi)容.activation, mechanism 和adsorption mechanism 3個(gè)關(guān)鍵詞只在2020年位居前 10,表明機(jī)理方面的研究仍然欠缺,研究者后續(xù)可以多關(guān)注材料吸附機(jī)理的研究.

表7 2017～2021多孔碳吸附領(lǐng)域各階段流行關(guān)鍵詞Table 7 Prevalent keywords of different stages in porous carbon adsorption (2017～2021)

2.6 CNKI數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞分析和研究熱點(diǎn)

為了進(jìn)一步了解國內(nèi)在多孔碳吸附領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和方向,使用Citespace軟件對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫中檢索到的有關(guān)多孔碳吸附的183篇學(xué)術(shù)期刊文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞的分析.如圖10所示, 183篇文獻(xiàn)共涉及453個(gè)關(guān)鍵詞.吸附、多孔碳和多孔炭作為主要檢索的關(guān)鍵詞,其出現(xiàn)頻次分別為118、109和 86次,它們的中心性分別為0.76、0.46和 0.41,均位列前 3.緊隨其后的依次是氮摻雜、孔結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、制備和廢水處理,這 5個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次相差不大,分別為32、31、29、29和28次,說明多孔碳材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、制備方法和氮摻雜改性以及將其應(yīng)用于廢水處理并研究吸附過程的動(dòng)力學(xué)是多孔碳吸附領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).陳愛俠等[20]采用三聚氰胺作為氮摻雜劑,一步法制備出氮摻雜海藻酸鈉基多孔碳材料,其具有較高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu),用于高效去除廢水中的雙酚 A,動(dòng)力學(xué)研究表明材料在30min內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡.圖10表明,多孔碳吸附領(lǐng)域的關(guān)鍵詞主要集中在吸附性能、制備過程及目標(biāo)物中,其中,關(guān)鍵詞化學(xué)活化、模板法和氮摻雜涉及多孔碳材料的制備過程.化學(xué)活化法是常用的制備方法,其關(guān)鍵是活化劑的選擇,不同活化劑所涉及的機(jī)理是不同的[33].模板法作為一種制備納米材料的有效方法,可以根據(jù)合成材料的性能要求以及形貌來設(shè)計(jì)模板的材料和結(jié)構(gòu).氮摻雜是改善碳材料吸附性能的有效方法,使碳具有獨(dú)特的電子特征和豐富的官能團(tuán)[20].關(guān)鍵詞亞甲基藍(lán)、重金屬和 CO2涉及多孔碳材料吸附的目標(biāo)物,其吸附性能受孔結(jié)構(gòu)、比表面積及表面化學(xué)特性等因素的綜合影響.劉鳳玲等[37]用分子篩模板法制備的多孔碳吸附常壓低濃度的 CO2,研究發(fā)現(xiàn)微孔孔容及表面氮含量的增加有利于低濃度 CO2在材料上的吸附,且含氮多孔碳的再生率最高.另外,生物質(zhì)作為一種可再生資源,成為多孔碳碳源的理想選擇.生物質(zhì)多孔碳因其來源廣泛、制備方法簡(jiǎn)單、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于重金屬和有機(jī)污染物的吸附等領(lǐng)域,其仍然是近幾年的研究熱點(diǎn).綜合來講,CNKI數(shù)據(jù)庫與WoS核心合集中SCI-E文獻(xiàn)庫所呈現(xiàn)的多孔碳吸附領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)基本一致,開發(fā)綠色可再生的生物質(zhì)碳源,對(duì)多孔碳材料進(jìn)行表面改性以提高其吸附性能并研究吸附機(jī)理,從而更好地對(duì)有關(guān)污染物進(jìn)行吸附去除.

圖10 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖譜Fig.10 Co-occurrence mapping of keywords

3 結(jié)論

3.1 總體而言,研究時(shí)段內(nèi)多孔碳吸附領(lǐng)域的熱度保持持續(xù)增高的趨勢(shì).2013年發(fā)表在Environmental Science and Pollution Research的文章總被引頻次和年均被引頻次均達(dá)到了最高,許多高引文章皆在此年附近發(fā)表,在領(lǐng)域內(nèi)形成了較大影響力.本領(lǐng)域的研究成果大多屬于Engineering Chemical、Chemistry Physical等學(xué)科,Chemical Engineering Journal是本領(lǐng)域內(nèi) H指數(shù)最高的期刊,其發(fā)文量、近 25a和近5a被引次數(shù)均位居榜首, Journal of Hazardous Materials, Applied Surface Science近年來引用率較高,這些期刊收錄的文章值得本領(lǐng)域?qū)W者重點(diǎn)關(guān)注.另外,多孔碳吸附領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容呈現(xiàn)以化學(xué)工程學(xué)科為主,同時(shí)向多學(xué)科結(jié)構(gòu)、多元化發(fā)展的趨勢(shì).

3.2 領(lǐng)域內(nèi)文章被引量最高 2位作者分別是武漢理工大學(xué)的Yu Jiaguo和清華大學(xué)的Wang Bin,發(fā)文量最多的作者是來自 Kent State University的Jaroniec Mietek,他們都是本領(lǐng)域內(nèi)比較突出的和有很大影響力的學(xué)者.多孔碳吸附領(lǐng)域內(nèi)總被引頻次前10機(jī)構(gòu)中有5所都位于中國,體現(xiàn)了該領(lǐng)域內(nèi)中國強(qiáng)大的科研實(shí)力.從發(fā)文量和總被引頻率看,中國、美國、印度和韓國都是排名前4的國家,然而中國的平均被引用率并不高,中國學(xué)者還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)提高國際學(xué)術(shù)影響力.

3.3 本領(lǐng)域內(nèi)國家、作者間呈現(xiàn)一定程度上的合作關(guān)系.國際合作最為活躍的國家為法國、日本和美國,其中中國對(duì)外合作中與美國的合作關(guān)系最為密切,其次是澳大利亞和英國.另外,學(xué)者團(tuán)體合作現(xiàn)象較為明顯,幾位影響力較強(qiáng)的學(xué)者都有著與自己聯(lián)系緊密的團(tuán)隊(duì),各團(tuán)隊(duì)之間也會(huì)有一些聯(lián)系,這些學(xué)者團(tuán)隊(duì)組成了領(lǐng)域內(nèi)的主要研究力量.

3.4 多孔碳吸附領(lǐng)域的研究主要集中在材料制備方法、氣體捕捉、污染物吸附、吸附過程研究等方面.2010年至今溫室氣體中CO2排放與多孔碳吸附議題之間有著十分緊密的學(xué)術(shù)聯(lián)系,而且在碳中和的議題下CO2的捕捉將會(huì)是多孔碳吸附領(lǐng)域持續(xù)的研究熱點(diǎn).此外,近幾年越來越多的科研人員將生物質(zhì)作為制備多孔碳的碳源,開發(fā)和應(yīng)用廉價(jià)、綠色可持續(xù)的碳源,尤其是生物質(zhì)源,制備出性能優(yōu)異的多孔碳材料,是未來碳材料領(lǐng)域持續(xù)追求的目標(biāo)之一,對(duì)于吸附機(jī)理的深入研究也將成為未來發(fā)展的方向之一.