基于信息分析的世界化学工程学科研究前沿与热点分析

张腾(中国石油大学(北京)研究生院，北京 102249)

0 引言

化学工程学科是运用自然或实验科学(如：化学、物理)、生命科学(如：生物学、生物化学)以及数学、经济学知识，实现化学品、原材料、能量的生产、转化、输运和合理使用的一门工程科学和技术学科[1]。在全球前50的高校中，化学工程学科是大多数高校的重要组成学科，在世界经济体系中发挥重要作用。

本文结合社会网络分析、文本挖掘方法等，从宏观与微观两个角度分析了2012—2017年世界化学工程学科研究方向与研究热点，并对相关研究方向进行综述。

1 研究数据与分析方法

本文通过期刊名称检索的方式，从Web of Science核心数据库检索并导出了2012—2017年化学工程学科领域(即SCI学科分类中的“Engineering: Chemical”)130本期刊的全部article类型论文题录信息，共计178 400条论文题录摘要信息。

本文采用信息分析工具VOS Viewer、社会网络分析工具Ucinet等分析工具，编写了Python语言程序等，对上述论文题录信息进行了一系列信息分析工作，主要分析项目包含文献耦合分析、主题词字段文本挖掘等。

2 世界化学工程学科研究前沿分析

学科研究前沿可通过领域内文献之间的引用关系分析出来，其中文献耦合分析是一种用于分析学科研究前沿的方法。文献耦合分析指的是，如果论文A和论文B之间引用了相同的参考文献C，则论文A和B存在文献耦合关系[2]。化学工程学科研究前沿分为10个主题，即光催化、氢气、太阳能电池、锂电池、生物质能源、水处理膜与渗透能源、分离技术、甲醇制烯烃、燃料电池以及燃烧模型等。

光催化研究主题共有165篇论文，占整个研究前沿文献网络的27.8%，目前光催化过程中研究最广泛的半导体材料是TiO2材料，Park H等[3]则以改性TiO2光催化剂为例研究了光催化过程中的电荷转移现象。Zhao W等[4]合成出了两种光催化剂，一种是具有纳米棒状结构的钒酸银超薄材料，另外一种是同时含有g-C3N4纳米片和钒酸银纳米棒结构的复合光催化剂，此外，可在无模板剂的条件下合成出了具有二位孔状结构的非金属掺杂g-C3N4催化剂。

氢气既是一种重要的化学工业原料，也是一种有前景的清洁能源，催化制氢是工业上生产氢原料的重要方式。通过乙醇水蒸气催化重整生产氢气的镧改性镍基介孔催化剂，同传统γ氧化铝负载镍催化剂相比，具有强B酸、强载体活性金属作用、积碳反应弱以及超长稳定性等特点。

太阳能电池研究集中于世界化学工程文献耦合网络中的海军蓝色部分，钙钛矿型太阳能电池目前研究最多的类型是甲基铵碘化铅沉积薄膜，将甲基铵和碘化铅两种组分分别替换成甲脒氢、溴化铅等组分，可以调节电池的光电转换效率。甲基铵/甲脒氢-碘化铅/溴化铅沉积薄膜结构具有优异的光电性能，在最佳组成条件下，沉积薄膜光电转换效率可达21.02%。在一价甲基铵/甲脒氢混合阳离子基团中引入铯形成三价阳离子基团，可使钙钛矿薄膜的光电转换效率在运行250 h后位于21.1%～18%范围内。

锂离子电池目前是综合性能最好的动力电池，并在未来相当长一段时间内仍将是动力电池的主流产品。从世界化学工程文献耦合分析网络看，锂离子电池的研究集中于天蓝色节点区域。由于锂离子电池的能量密度难以突破300 W·h/kg这一极限值，因此理论比能量为2 600 W·h/kg，实际比能量超过350 W·h/kg的锂硫电池被认为是目前最接近商业化的高比能量二次电池体系。但是锂硫电池在实际使用过程中容量衰减现象非常严重，具有结构限域和化学捕获协同效应的锂硫电池阴极电极材料可解决这个问题，该电极材料由二氧化锰纳米片和多孔空心琉微球复合形成，基于该电极材料制作的锂硫电池容量稳定性好，电池循环寿命达到1 500次。

生物质能源在可再生能源中占有重要的位置，常见生物质包含纤维素、半纤维素、木质素等木质纤维素、淀粉等糖类化合物以及油脂等，其中木质纤维素是全球含量最丰富的生物质资源。世界化学工程学科文献耦合网络关于生物质能源的研究位于紫色节点区域，目前世界上关于木质素催化转化利用的研究较少。2015年，比利时鲁汶大学的Van den Bosch S等[5]提出了一个木质素催化氢解的生物炼油工艺，该工艺以Ru/C为催化剂，在甲醇溶液中同时进行桦树锯末的醇解和催化氢解反应后得到两组后续多元化加工原料，即含有92%原始多聚糖的碳水化合物浆液和包含70%酚类单体或低聚物的木质素油。

渗透能源是一种有潜力的可持续能源，压力延迟渗透是获取渗透能源的一种技术，其基本原理就是让具有浓度差的进口流体和出口流体同时沿着半渗透膜流动，水分子在浓度差作用下穿过半渗透膜并产生渗透能源。世界化学工程学科文献耦合网络关于生物质能源的研究位于天蓝色节点区域。新加坡国立大学的Wan C F等[6]研究了利用海水淡化厂卤水和污水处理厂废水作为渗透能源的利用过程，研究发现污水处理厂废水对半渗透膜的污染问题是制约利用渗透能源发电功率的主要原因，而海水淡化厂对利用渗透能源发电功率的影响可以忽略不计。

分离技术是化学工程各个研究领域的“公共基础课”。2012—2017年，世界化学工程学科领域关于分离技术主题的研究话题比较分散，两个代表性的研究话题是褐煤的干燥和水中染料的吸附分离。煤干燥技术可以脱除低品位煤的水分并增加其热值，常见的煤干燥技术包括热空气干燥、烟气干燥、超热蒸汽干燥、微波干燥以及流化床干燥技术等。在煤干燥过程中，煤中含有的有机官能团会发生化学变化，而这些官能团对后续煤的加工过程具有重要影响。因此，为了确定合适的煤干燥条件，Tahmasebi A等[7]研究了热蒸汽干燥、微波干燥、流化床干燥以及传统热空气干燥过程中中国褐煤含有的有机官能团发生的化学变化情况。吸附分离是脱除水中有机污染物的简单有效的方式，目前研究表明具有纳米结构的吸附剂能有效脱除水中的染料污染物。Dastkhoon M等[8]合成除了掺杂铜的硫化锌纳米颗粒，并将纳米颗粒负载于活性炭上制备染料分子吸附剂，研究结果显示在同等条件下，该吸附剂吸附容量高于石墨烯、碳纳米管等吸附剂。

甲醇制烃烃反应复杂，产品分布多样化，弄清楚其反应机理并提高转化过程的选择性是当前相关研究的重点内容。Ilias S等[9]及其合作者以少量丙烯和甲苯作为共混原料，采用同位素监测方法研究了二甲基醚在H-ZSM-5催化剂上的转化选择性问题，结果表明原丙烯和甲苯的物料比可以作为调节二甲基醚选择性的反应参数，烯烃池反应机理和芳烃池反应机理在二甲基醚催化反应工程当中不是孤立存在的，二者之间的联系是控制甲醇制烃反应选择性的关键。甲醇在H-ZSM-5上发生催化转化时，烯烃池反应机理和芳烃池反应机理存在竞争关系，两者的重要性与甲醇转化率和特定碳物种的局部化学势有关。

阴离子交换膜是一种传导阴离子(如：OH-和Cl-)的聚合物电解质，它们含有带正电荷的阳离子官能团，这些阳离子官能团通常以共价键的形式同聚合物主链相连。开发阴离子交换膜的主要目的是为了生产碱性聚合物电极燃料电池，碱性聚合物电极燃料电池的主要优势在于可使用较宽范围的非贵金属催化剂，阴离子交换膜在高pH环境下的化学稳定性对其在燃料电池上的应用有重要影响，苄基三甲基胺和苄基咪唑官能团为头基对阳离子交换膜进行修饰后，不会真正提高阳离子交换膜的化学稳定性。

富氧燃烧是一种既能实现二氧化碳减排又能实现二氧化碳有效利用的一种技术，Bhuiyan A A等[10]及其合作者采用有限体积工具和自定义子程序构建了俄罗斯粉煤在富氧环境下燃烧行为的3D模型。该模型对燃烧体系中的对流、热辐射以及粉煤燃尽率等指标数据的预测值与实测值基本一致。此外，该学者开创性地应用3D模型模拟了生物质和煤在富氧燃烧条件下的共混燃烧行为，该模型预测值与实测值的误差在5%以内。此外，该研究团队发现生物质和煤共混燃烧时，随着生物质占比增加，火焰体积变大，但是火焰峰值温度降低。

3 基于文本挖掘的世界化学工程研究热点分析

文本挖掘结果显示，2012—2017年，世界化学工程学科领域主要涉及7个研究簇群，第1簇群主要为化学工程学科中质量传递、能量传递、动量传递以及反应过程方面的研究，核心主题词主要有flow、simulation、fuel、combustion以 及cost等；第2簇 群涉及化学工程学科中催化剂和催化反应相关的研究内容，核心关键词主要有catalyst、activity、conversion、selectivity以及degradation；第3簇群表示的是膜分离相关的研究内容，核心关键词有membrane、poly、composite、flourier以 及blend等；第4簇 群 则是能源清洁化或水处理方向的研究内容，核心关键词 包 含wastewater、removal efficiency、biodiesel、pretreatment以及effluent等；第5簇群是烃及其衍生物转化方面的研究内容，核心关键词有equation、methanol、ionic liquid、solubility以 及alcohol等；第6簇群表示的是吸附分离技术相关的研究内容，核 心 关 键 词 有removal、adsorption、aqueous solution、adsorbent以及adsorption capacity等；第7簇群则是碳基能源化学方向的研究内容，主要关键词有pyrolysis、gasification、bio oil、syngas以及oxygen carrier等。

从节点强度看，化学工程“三传一反”、催化、膜以及吸附分离等方面的研究内容是化学工程整个学科领域在2012—2017年最为核心的研究内容，而碳基能源化学方向研究热度较低。此外，碳基能源化学簇群处于催化簇群和“三传一反”簇群的中间纽带位置，对化学工程研究领域网络网路信息的控制能力较大，未来具有较大的研究成长空间。

4 结语

新型信息分析技术为我们总结提炼化学工程的热点研究方向提供了有力的工具，可以更好把握世界化学工程学科领域的主要研究前沿，分析结果显示，2012—2017年世界化学工程学科领域研究方主要涉及光催化、氢生产与存储、太阳能电池、锂电池、生物质能源、渗透能源、分离技术、甲醇制烃、阴离子交换膜以及富氧燃烧模型等研究领域。2012—2017年，化学工程“三传一反”、催化、膜以及吸附分离等研究方向是整个化学工程学科领域最为核心的研究内容，而碳基能源化学方向具有较大的研究成长空间。