基于信息分析的世界化學工程學科研究前沿與熱點分析

張騰(中國石油大學(北京)研究生院，北京 102249)

0 引言

化學工程學科是運用自然或?qū)嶒灴茖W(如：化學、物理)、生命科學(如：生物學、生物化學)以及數(shù)學、經(jīng)濟學知識，實現(xiàn)化學品、原材料、能量的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、輸運和合理使用的一門工程科學和技術學科[1]。在全球前50的高校中，化學工程學科是大多數(shù)高校的重要組成學科，在世界經(jīng)濟體系中發(fā)揮重要作用。

本文結合社會網(wǎng)絡分析、文本挖掘方法等，從宏觀與微觀兩個角度分析了2012—2017年世界化學工程學科研究方向與研究熱點，并對相關研究方向進行綜述。

1 研究數(shù)據(jù)與分析方法

本文通過期刊名稱檢索的方式，從Web of Science核心數(shù)據(jù)庫檢索并導出了2012—2017年化學工程學科領域(即SCI學科分類中的“Engineering: Chemical”)130本期刊的全部article類型論文題錄信息，共計178 400條論文題錄摘要信息。

本文采用信息分析工具VOS Viewer、社會網(wǎng)絡分析工具Ucinet等分析工具，編寫了Python語言程序等，對上述論文題錄信息進行了一系列信息分析工作，主要分析項目包含文獻耦合分析、主題詞字段文本挖掘等。

2 世界化學工程學科研究前沿分析

學科研究前沿可通過領域內(nèi)文獻之間的引用關系分析出來，其中文獻耦合分析是一種用于分析學科研究前沿的方法。文獻耦合分析指的是，如果論文A和論文B之間引用了相同的參考文獻C，則論文A和B存在文獻耦合關系[2]?；瘜W工程學科研究前沿分為10個主題，即光催化、氫氣、太陽能電池、鋰電池、生物質(zhì)能源、水處理膜與滲透能源、分離技術、甲醇制烯烴、燃料電池以及燃燒模型等。

光催化研究主題共有165篇論文，占整個研究前沿文獻網(wǎng)絡的27.8%，目前光催化過程中研究最廣泛的半導體材料是TiO2材料，Park H等[3]則以改性TiO2光催化劑為例研究了光催化過程中的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。Zhao W等[4]合成出了兩種光催化劑，一種是具有納米棒狀結構的釩酸銀超薄材料，另外一種是同時含有g-C3N4納米片和釩酸銀納米棒結構的復合光催化劑，此外，可在無模板劑的條件下合成出了具有二位孔狀結構的非金屬摻雜g-C3N4催化劑。

氫氣既是一種重要的化學工業(yè)原料，也是一種有前景的清潔能源，催化制氫是工業(yè)上生產(chǎn)氫原料的重要方式。通過乙醇水蒸氣催化重整生產(chǎn)氫氣的鑭改性鎳基介孔催化劑，同傳統(tǒng)γ氧化鋁負載鎳催化劑相比，具有強B酸、強載體活性金屬作用、積碳反應弱以及超長穩(wěn)定性等特點。

太陽能電池研究集中于世界化學工程文獻耦合網(wǎng)絡中的海軍藍色部分，鈣鈦礦型太陽能電池目前研究最多的類型是甲基銨碘化鉛沉積薄膜，將甲基銨和碘化鉛兩種組分分別替換成甲脒氫、溴化鉛等組分，可以調(diào)節(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。甲基銨/甲脒氫-碘化鉛/溴化鉛沉積薄膜結構具有優(yōu)異的光電性能，在最佳組成條件下，沉積薄膜光電轉(zhuǎn)換效率可達21.02%。在一價甲基銨/甲脒氫混合陽離子基團中引入銫形成三價陽離子基團，可使鈣鈦礦薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率在運行250 h后位于21.1%～18%范圍內(nèi)。

鋰離子電池目前是綜合性能最好的動力電池，并在未來相當長一段時間內(nèi)仍將是動力電池的主流產(chǎn)品。從世界化學工程文獻耦合分析網(wǎng)絡看，鋰離子電池的研究集中于天藍色節(jié)點區(qū)域。由于鋰離子電池的能量密度難以突破300 W·h/kg這一極限值，因此理論比能量為2 600 W·h/kg，實際比能量超過350 W·h/kg的鋰硫電池被認為是目前最接近商業(yè)化的高比能量二次電池體系。但是鋰硫電池在實際使用過程中容量衰減現(xiàn)象非常嚴重，具有結構限域和化學捕獲協(xié)同效應的鋰硫電池陰極電極材料可解決這個問題，該電極材料由二氧化錳納米片和多孔空心琉微球復合形成，基于該電極材料制作的鋰硫電池容量穩(wěn)定性好，電池循環(huán)壽命達到1 500次。

生物質(zhì)能源在可再生能源中占有重要的位置，常見生物質(zhì)包含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等木質(zhì)纖維素、淀粉等糖類化合物以及油脂等，其中木質(zhì)纖維素是全球含量最豐富的生物質(zhì)資源。世界化學工程學科文獻耦合網(wǎng)絡關于生物質(zhì)能源的研究位于紫色節(jié)點區(qū)域，目前世界上關于木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化利用的研究較少。2015年，比利時魯汶大學的Van den Bosch S等[5]提出了一個木質(zhì)素催化氫解的生物煉油工藝，該工藝以Ru/C為催化劑，在甲醇溶液中同時進行樺樹鋸末的醇解和催化氫解反應后得到兩組后續(xù)多元化加工原料，即含有92%原始多聚糖的碳水化合物漿液和包含70%酚類單體或低聚物的木質(zhì)素油。

滲透能源是一種有潛力的可持續(xù)能源，壓力延遲滲透是獲取滲透能源的一種技術，其基本原理就是讓具有濃度差的進口流體和出口流體同時沿著半滲透膜流動，水分子在濃度差作用下穿過半滲透膜并產(chǎn)生滲透能源。世界化學工程學科文獻耦合網(wǎng)絡關于生物質(zhì)能源的研究位于天藍色節(jié)點區(qū)域。新加坡國立大學的Wan C F等[6]研究了利用海水淡化廠鹵水和污水處理廠廢水作為滲透能源的利用過程，研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠廢水對半滲透膜的污染問題是制約利用滲透能源發(fā)電功率的主要原因，而海水淡化廠對利用滲透能源發(fā)電功率的影響可以忽略不計。

分離技術是化學工程各個研究領域的“公共基礎課”。2012—2017年，世界化學工程學科領域關于分離技術主題的研究話題比較分散，兩個代表性的研究話題是褐煤的干燥和水中染料的吸附分離。煤干燥技術可以脫除低品位煤的水分并增加其熱值，常見的煤干燥技術包括熱空氣干燥、煙氣干燥、超熱蒸汽干燥、微波干燥以及流化床干燥技術等。在煤干燥過程中，煤中含有的有機官能團會發(fā)生化學變化，而這些官能團對后續(xù)煤的加工過程具有重要影響。因此，為了確定合適的煤干燥條件，Tahmasebi A等[7]研究了熱蒸汽干燥、微波干燥、流化床干燥以及傳統(tǒng)熱空氣干燥過程中中國褐煤含有的有機官能團發(fā)生的化學變化情況。吸附分離是脫除水中有機污染物的簡單有效的方式，目前研究表明具有納米結構的吸附劑能有效脫除水中的染料污染物。Dastkhoon M等[8]合成除了摻雜銅的硫化鋅納米顆粒，并將納米顆粒負載于活性炭上制備染料分子吸附劑，研究結果顯示在同等條件下，該吸附劑吸附容量高于石墨烯、碳納米管等吸附劑。

甲醇制烴烴反應復雜，產(chǎn)品分布多樣化，弄清楚其反應機理并提高轉(zhuǎn)化過程的選擇性是當前相關研究的重點內(nèi)容。Ilias S等[9]及其合作者以少量丙烯和甲苯作為共混原料，采用同位素監(jiān)測方法研究了二甲基醚在H-ZSM-5催化劑上的轉(zhuǎn)化選擇性問題，結果表明原丙烯和甲苯的物料比可以作為調(diào)節(jié)二甲基醚選擇性的反應參數(shù)，烯烴池反應機理和芳烴池反應機理在二甲基醚催化反應工程當中不是孤立存在的，二者之間的聯(lián)系是控制甲醇制烴反應選擇性的關鍵。甲醇在H-ZSM-5上發(fā)生催化轉(zhuǎn)化時，烯烴池反應機理和芳烴池反應機理存在競爭關系，兩者的重要性與甲醇轉(zhuǎn)化率和特定碳物種的局部化學勢有關。

陰離子交換膜是一種傳導陰離子(如：OH-和Cl-)的聚合物電解質(zhì)，它們含有帶正電荷的陽離子官能團，這些陽離子官能團通常以共價鍵的形式同聚合物主鏈相連。開發(fā)陰離子交換膜的主要目的是為了生產(chǎn)堿性聚合物電極燃料電池，堿性聚合物電極燃料電池的主要優(yōu)勢在于可使用較寬范圍的非貴金屬催化劑，陰離子交換膜在高pH環(huán)境下的化學穩(wěn)定性對其在燃料電池上的應用有重要影響，芐基三甲基胺和芐基咪唑官能團為頭基對陽離子交換膜進行修飾后，不會真正提高陽離子交換膜的化學穩(wěn)定性。

富氧燃燒是一種既能實現(xiàn)二氧化碳減排又能實現(xiàn)二氧化碳有效利用的一種技術，Bhuiyan A A等[10]及其合作者采用有限體積工具和自定義子程序構建了俄羅斯粉煤在富氧環(huán)境下燃燒行為的3D模型。該模型對燃燒體系中的對流、熱輻射以及粉煤燃盡率等指標數(shù)據(jù)的預測值與實測值基本一致。此外，該學者開創(chuàng)性地應用3D模型模擬了生物質(zhì)和煤在富氧燃燒條件下的共混燃燒行為，該模型預測值與實測值的誤差在5%以內(nèi)。此外，該研究團隊發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)和煤共混燃燒時，隨著生物質(zhì)占比增加，火焰體積變大，但是火焰峰值溫度降低。

3 基于文本挖掘的世界化學工程研究熱點分析

文本挖掘結果顯示，2012—2017年，世界化學工程學科領域主要涉及7個研究簇群，第1簇群主要為化學工程學科中質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動量傳遞以及反應過程方面的研究，核心主題詞主要有flow、simulation、fuel、combustion以 及cost等；第2簇 群涉及化學工程學科中催化劑和催化反應相關的研究內(nèi)容，核心關鍵詞主要有catalyst、activity、conversion、selectivity以及degradation；第3簇群表示的是膜分離相關的研究內(nèi)容，核心關鍵詞有membrane、poly、composite、flourier以 及blend等；第4簇 群 則是能源清潔化或水處理方向的研究內(nèi)容，核心關鍵詞 包 含wastewater、removal efficiency、biodiesel、pretreatment以及effluent等；第5簇群是烴及其衍生物轉(zhuǎn)化方面的研究內(nèi)容，核心關鍵詞有equation、methanol、ionic liquid、solubility以 及alcohol等；第6簇群表示的是吸附分離技術相關的研究內(nèi)容，核 心 關 鍵 詞 有removal、adsorption、aqueous solution、adsorbent以及adsorption capacity等；第7簇群則是碳基能源化學方向的研究內(nèi)容，主要關鍵詞有pyrolysis、gasification、bio oil、syngas以及oxygen carrier等。

從節(jié)點強度看，化學工程“三傳一反”、催化、膜以及吸附分離等方面的研究內(nèi)容是化學工程整個學科領域在2012—2017年最為核心的研究內(nèi)容，而碳基能源化學方向研究熱度較低。此外，碳基能源化學簇群處于催化簇群和“三傳一反”簇群的中間紐帶位置，對化學工程研究領域網(wǎng)絡網(wǎng)路信息的控制能力較大，未來具有較大的研究成長空間。

4 結語

新型信息分析技術為我們總結提煉化學工程的熱點研究方向提供了有力的工具，可以更好把握世界化學工程學科領域的主要研究前沿，分析結果顯示，2012—2017年世界化學工程學科領域研究方主要涉及光催化、氫生產(chǎn)與存儲、太陽能電池、鋰電池、生物質(zhì)能源、滲透能源、分離技術、甲醇制烴、陰離子交換膜以及富氧燃燒模型等研究領域。2012—2017年，化學工程“三傳一反”、催化、膜以及吸附分離等研究方向是整個化學工程學科領域最為核心的研究內(nèi)容，而碳基能源化學方向具有較大的研究成長空間。