基于信息分析的世界化學(xué)工程學(xué)科研究前沿與熱點(diǎn)分析

張騰(中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究生院，北京 102249)

0 引言

化學(xué)工程學(xué)科是運(yùn)用自然或?qū)嶒?yàn)科學(xué)(如：化學(xué)、物理)、生命科學(xué)(如：生物學(xué)、生物化學(xué))以及數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品、原材料、能量的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、輸運(yùn)和合理使用的一門工程科學(xué)和技術(shù)學(xué)科[1]。在全球前50的高校中，化學(xué)工程學(xué)科是大多數(shù)高校的重要組成學(xué)科，在世界經(jīng)濟(jì)體系中發(fā)揮重要作用。

本文結(jié)合社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、文本挖掘方法等，從宏觀與微觀兩個(gè)角度分析了2012—2017年世界化學(xué)工程學(xué)科研究方向與研究熱點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)研究方向進(jìn)行綜述。

1 研究數(shù)據(jù)與分析方法

本文通過(guò)期刊名稱檢索的方式，從Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)檢索并導(dǎo)出了2012—2017年化學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域(即SCI學(xué)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(jì)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(huì)網(wǎng)絡(luò)分析工具Ucinet等分析工具，編寫了Python語(yǔ)言程序等，對(duì)上述論文題錄信息進(jìn)行了一系列信息分析工作，主要分析項(xiàng)目包含文獻(xiàn)耦合分析、主題詞字段文本挖掘等。

2 世界化學(xué)工程學(xué)科研究前沿分析

學(xué)科研究前沿可通過(guò)領(lǐng)域內(nèi)文獻(xiàn)之間的引用關(guān)系分析出來(lái)，其中文獻(xiàn)耦合分析是一種用于分析學(xué)科研究前沿的方法。文獻(xiàn)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(xiàn)C，則論文A和B存在文獻(xiàn)耦合關(guān)系[2]。化學(xué)工程學(xué)科研究前沿分為10個(gè)主題，即光催化、氫氣、太陽(yáng)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(shù)、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(gè)研究前沿文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的27.8%，目前光催化過(guò)程中研究最廣泛的半導(dǎo)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(guò)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(jié)構(gòu)的釩酸銀超薄材料，另外一種是同時(shí)含有g(shù)-C3N4納米片和釩酸銀納米棒結(jié)構(gòu)的復(fù)合光催化劑，此外，可在無(wú)模板劑的條件下合成出了具有二位孔狀結(jié)構(gòu)的非金屬摻雜g-C3N4催化劑。

氫氣既是一種重要的化學(xué)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(guò)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(fù)載鎳催化劑相比，具有強(qiáng)B酸、強(qiáng)載體活性金屬作用、積碳反應(yīng)弱以及超長(zhǎng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

太陽(yáng)能電池研究集中于世界化學(xué)工程文獻(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)中的海軍藍(lán)色部分，鈣鈦礦型太陽(yáng)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(jié)構(gòu)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(dá)21.02%。在一價(jià)甲基銨/甲脒氫混合陽(yáng)離子基團(tuán)中引入銫形成三價(jià)陽(yáng)離子基團(tuán)，可使鈣鈦礦薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率在運(yùn)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(dòng)力電池，并在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是動(dòng)力電池的主流產(chǎn)品。從世界化學(xué)工程文獻(xiàn)耦合分析網(wǎng)絡(luò)看，鋰離子電池的研究集中于天藍(lán)色節(jié)點(diǎn)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(shí)際比能量超過(guò)350 W·h/kg的鋰硫電池被認(rèn)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(shí)際使用過(guò)程中容量衰減現(xiàn)象非常嚴(yán)重，具有結(jié)構(gòu)限域和化學(xué)捕獲協(xié)同效應(yīng)的鋰硫電池陰極電極材料可解決這個(gè)問(wèn)題，該電極材料由二氧化錳納米片和多孔空心琉微球復(fù)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(dá)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(xué)工程學(xué)科文獻(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)關(guān)于生物質(zhì)能源的研究位于紫色節(jié)點(diǎn)區(qū)域，目前世界上關(guān)于木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化利用的研究較少。2015年，比利時(shí)魯汶大學(xué)的Van den Bosch S等[5]提出了一個(gè)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(shí)進(jìn)行樺樹鋸末的醇解和催化氫解反應(yīng)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(shù)，其基本原理就是讓具有濃度差的進(jìn)口流體和出口流體同時(shí)沿著半滲透膜流動(dòng)，水分子在濃度差作用下穿過(guò)半滲透膜并產(chǎn)生滲透能源。世界化學(xué)工程學(xué)科文獻(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)關(guān)于生物質(zhì)能源的研究位于天藍(lán)色節(jié)點(diǎn)區(qū)域。新加坡國(guó)立大學(xué)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(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠廢水對(duì)半滲透膜的污染問(wèn)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(duì)利用滲透能源發(fā)電功率的影響可以忽略不計(jì)。

分離技術(shù)是化學(xué)工程各個(gè)研究領(lǐng)域的“公共基礎(chǔ)課”。2012—2017年，世界化學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域關(guān)于分離技術(shù)主題的研究話題比較分散，兩個(gè)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(shù)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(shù)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(shù)等。在煤干燥過(guò)程中，煤中含有的有機(jī)官能團(tuán)會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，而這些官能團(tuán)對(duì)后續(xù)煤的加工過(guò)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(guò)程中中國(guó)褐煤含有的有機(jī)官能團(tuán)發(fā)生的化學(xué)變化情況。吸附分離是脫除水中有機(jī)污染物的簡(jiǎn)單有效的方式，目前研究表明具有納米結(jié)構(gòu)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(fù)載于活性炭上制備染料分子吸附劑，研究結(jié)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(yīng)復(fù)雜，產(chǎn)品分布多樣化，弄清楚其反應(yīng)機(jī)理并提高轉(zhuǎn)化過(guò)程的選擇性是當(dāng)前相關(guān)研究的重點(diǎn)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(cè)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(wèn)題，結(jié)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(yīng)參數(shù)，烯烴池反應(yīng)機(jī)理和芳烴池反應(yīng)機(jī)理在二甲基醚催化反應(yīng)工程當(dāng)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(yīng)選擇性的關(guān)鍵。甲醇在H-ZSM-5上發(fā)生催化轉(zhuǎn)化時(shí)，烯烴池反應(yīng)機(jī)理和芳烴池反應(yīng)機(jī)理存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)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(xué)勢(shì)有關(guān)。

陰離子交換膜是一種傳導(dǎo)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(yáng)離子官能團(tuán)，這些陽(yáng)離子官能團(tuán)通常以共價(jià)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(shì)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(xué)穩(wěn)定性對(duì)其在燃料電池上的應(yīng)用有重要影響，芐基三甲基胺和芐基咪唑官能團(tuán)為頭基對(duì)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行修飾后，不會(huì)真正提高陽(yáng)離子交換膜的化學(xué)穩(wěn)定性。

富氧燃燒是一種既能實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排又能實(shí)現(xiàn)二氧化碳有效利用的一種技術(shù)，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(gòu)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(duì)燃燒體系中的對(duì)流、熱輻射以及粉煤燃盡率等指標(biāo)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本一致。此外，該學(xué)者開創(chuàng)性地應(yīng)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(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差在5%以內(nèi)。此外，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)和煤共混燃燒時(shí)，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(xué)工程研究熱點(diǎn)分析

文本挖掘結(jié)果顯示，2012—2017年，世界化學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域主要涉及7個(gè)研究簇群，第1簇群主要為化學(xué)工程學(xué)科中質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動(dòng)量傳遞以及反應(yīng)過(guò)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(xué)工程學(xué)科中催化劑和催化反應(yīng)相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，核心關(guān)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(guān)的研究?jī)?nèi)容，核心關(guān)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?jī)?nèi)容，核心關(guān)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?jī)?nèi)容，核心關(guān)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(shù)相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，核 心 關(guān) 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(xué)方向的研究?jī)?nèi)容，主要關(guān)鍵詞有pyrolysis、gasification、bio oil、syngas以及oxygen carrier等。

從節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度看，化學(xué)工程“三傳一反”、催化、膜以及吸附分離等方面的研究?jī)?nèi)容是化學(xué)工程整個(gè)學(xué)科領(lǐng)域在2012—2017年最為核心的研究?jī)?nèi)容，而碳基能源化學(xué)方向研究熱度較低。此外，碳基能源化學(xué)簇群處于催化簇群和“三傳一反”簇群的中間紐帶位置，對(duì)化學(xué)工程研究領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)路信息的控制能力較大，未來(lái)具有較大的研究成長(zhǎng)空間。

4 結(jié)語(yǔ)

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