CO2化工转化利用领域文献计量分析

郑征 ,  何宏艳 ,  王瑜 ,  张甫

科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (2) :33-46

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科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (2) :33-46 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202202004
研究论文

CO2化工转化利用领域文献计量分析

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Bibliometric Analysis of CO2 Chemical Conversion and Utilization

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摘要

[目的/意义] CCUS技术是实现碳减排目标的关键技术,CO2转化利用是其中重要一环。[方法/过程] 该研究重点关注CO2在化工转化利用方面的研究发展态势。主要采用文献计量方法,对近20年来CO2化工转化利用领域的基础数据进行年代切块,设置每10年为一个时间块,从论文产出规模、学术影响力、国际合作、期刊及学科分布、研究主题等方面对比分析该领域两个10年的发展态势。[结果/结论] 当前相关研究主要集中在中美两国,与第一个10年相比,中国在第二个10年的论文规模和学术影响力均超过美国,同时在国际合作网络中取代美国成为网络中心。近10年趋势显示CO2化工转化利用领域迎来快速发展期,研究制备产品热点从CO2制可降解塑料转移到CO2制低烯烃,制备工艺也从加氢热解转移至电化学反应;中国在该领域的研究热点由CO2制甲酸、合成气向CO2制甲醇及低烯烃转移,美国的研究热点从CO2制备氨、甲醇、生物燃料转移至CO2制备合成气。

Abstract

[Objective/Significance] CCUS technology is the key technology to achieve carbon reduction goals, among which CO2 conversion and utilization is an important part. [Method/Process] This study focuses on the development trends of CO2 chemical conversion and utilization field. The basic data in the field of CO2 chemical conversion and utilization in the past 20 years were chronodiced by using bibliometric method, and each decade was set as a time block. The development trend of the field in the two decades was compared and analyzed from the aspects of paper output scale, academic influence, international cooperation, journal and discipline distribution, research topics, etc. [Results/Conclusions] The results show that the current research is mainly focused on China and the United States. Compared with the first decade, China surpassed the United States in terms of paper size and academic influence in the second decade, while displacing the United States as the network center in international cooperation networks. The trends in recent ten years shows that the field of CO2 chemical conversion and utilization ushered in a rapid development period. The research on the preparation of products shifted from CO2 to degradable plastics to CO2 to low olefin, and the research on the preparation process also shifted from hydropyrolysis to electrochemical reaction. The research in China focus in this field has shifted from CO2 to formic acid and syngas to CO2 to methanol and low olefin, while in the United States, the research focus has shifted from CO2 to ammonia, methanol and biofuel to CO2 to syngas.

Graphical abstract

关键词

CCUS / CO2化工 / CO2利用 / 文献计量 / 研究热点 / 研究趋势

Key words

CCUS / CO2 chemical / CO2 utilization / bibliometrics / research focus / research trends

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郑征, 何宏艳, 王瑜, 张甫. CO2化工转化利用领域文献计量分析[J]. 科学观察, 2022, 17(2): 33-46 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202202004
Zheng Zheng, He Hongyan, Wang Yu, Zhang Fu. Bibliometric Analysis of CO2 Chemical Conversion and Utilization[J]. Science Focus, 2022, 17(2): 33-46 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202202004

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1 引言

2021年8月9日,联合国评估气候变化相关科学的政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)发布了第六次评估报告(AR6)的政策制定者摘要(SPM),首次确认人类影响导致全球变暖是明确的[1]。国际社会普遍认为,二氧化碳过度排放是引起气候变化的主要因素。我国已明确表态和承诺,将采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。实现“双碳”目标不是要完全禁止二氧化碳排放,而是在降低二氧化碳排放的同时,促进二氧化碳吸收,用吸收抵消排放,这就需要以技术创新引领低碳发展新格局,二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)技术是我国实现“双碳”目标的有益技术探索[2]。碳捕获、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术是实现减排目标过程中唯一一组既能直接减少关键领域碳排放,又能降低已有CO2浓度以平衡无法避免的碳排放的技术,是实现“净”零目标的关键部分[3]。可以说在化石燃料无法完全清退的情况下,CCUS技术的研发推广势在必行[4]

CCUS技术是一种捕获燃煤发电厂等来源的二氧化碳排放,并对其进行再利用或储存,使其不会进入大气的过程[5]。CCUS是CCS技术的新发展趋势,与CCS相比,CCUS技术多了“利用”的过程,即把生产过程中排放的二氧化碳捕获后进行提纯,继而投入到新的生产过程中,实现循环再利用,产生附加值产品,建立二氧化碳经济,而不是简单地封存或将其作为废物处理[6]

CO2可以作为一系列产品和服务的原料。CO2的潜在应用包括直接使用(不发生化学变化),以及将CO2转化为其他产品(发生化学变化)。本研究重点关注CO2在化工转化利用方面的研究发展态势,以期为相关研究人员或政策制定者提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文以Web of Science平台上的SCIE数据库为数据源,根据CO2化工转化利用涉及主要领域[7,8,9,10,11,12],结合专家研判,将涉及的技术划分为7个研究方向,并分别确定每个研究方向的关键词和检索表达式,见表1

将上述检索式进行逻辑或(OR)组合检索,并进行去重、清洗,最终得到CO2化工利用领域论文20 539篇。本文的数据统计口径说明如下:论文统计时间窗为2001–2020年,文献类型为Article、Review,检索时间为2020年11月5日。

2.2 研究方法及工具

本文主要采用文献计量方法,对近20年来CO2化工转化利用领域的基础数据进行年代切块,设置每10年为一个时间块,从论文产出规模、学术影响力、国际合作、期刊及学科分布、研究主题等方面对比分析该领域两个10年的发展态势。本研究主要使用的计量与可视化分析工具有DDA、VOSviewer、Citespace和Excel等。

3 CO2化工产品利用领域发文态势分析

3.1 发文年代分布

2001年至今,全球共发表CO2化工转化利用相关研究论文20 539篇。从图1可以看出,2001–2020年,该领域发文保持稳步增长态势;与2001–2010年相比,2011–2020年领域论文增速明显加快,全球研究规模显著扩大。

3.2 发文国家/地区及国际合作分析

从国家/地区论文产出格局来看,中美是CO2化工产品利用领域的主要研究国家(如图2),两国的发文量占领域发文总量的45%。从2001–2010年、2011–2020年前后两个时间窗来看(如图3),美中在该领域的论文数量轮流登上“榜首”,且中国论文量增长较快,与其他国家的比较优势更为显著。如第一个10年排在第1位的美国论文数量(951篇)是第4名德国 (262篇)的近4倍,第2名中国(858篇)是德国的3.3倍;第二个10年中国发文量(4 846篇)增长4.6倍,跃居第1位,是第3名德国(1 110篇)的4.4倍。

基于论文合作情况绘制2001–2010年及2011–2020年CO2化工转化利用领域发文量大于10的国家/地区间合作网络图。图中圆圈大小代表发文量多少,连线粗细代表合作程度高低,不同颜色代表不同的合作集群。比较前后两个时间窗合作网络图可以发现,网络中的国家/地区数量及其之间的连线均有所增加,可见越来越多的国家/地区参与到本领域的国际合作研究中,且合作越来越密切(如图4图5)。

进一步用PageRank指标测度合作网络中节点的中心地位(见表2),可以发现中国在第二个时间窗中取代美国,成为合作网络中心。

从国际合作区域分析来看,中国在该领域进行国际合作最多的国家为美国、英国、日本、澳大利亚、加拿大等,其中美国、英国、澳大利亚与中国合作论文数量的排名有所上升,日本、加拿大的排名有所下降;从2001–2010年、2011–2020年各国家/地区与中国的合作论文数量占其本国/地区国际合作论文总数的比例来看(表3),除日本外,中国与大多数国家/地区的合作伙伴关系越来越密切。

3.3 学术影响力分析

被引频次是测度论文学术影响力的基本指标。为使得不同年份、不同学科领域的被引频次规模可比,本研究采用国家/地区的被引频次世界份额(即国家/地区的被引频次除以同年份、同领域的世界被引频次)和消除研究规模影响的归一化指标CNCI进行学术影响力测度。2001–2010年,美国、中国和日本是该领域被引频次世界份额的TOP3国家,美国以较大的优势领先中国等其余国家/地区。2011–2020年,中国CO2化工转化利用领域的学术影响力超过美国,跃居第一位,但与美国的差距并不大(如图6)。

从TOP10国家的CNCI值来看,2001–2010年,美国、西班牙、英国、德国和加拿大位居前列,均超过了TOP10国家CNCI均值;与前10年相比,后10年进步最大是法国和中国,其中法国从第6位上升至第3位,中国从第9位上升至第5位,且均超过了TOP10国家CNCI均值(如图7),但与美英等国仍存在一定差距。

3.4 发文期刊分析

表4可以看出,2001–2010年与2011–2020年CO2化工转化利用领域论文发文期刊变化较大。通过前后两个时间窗TOP10发文期刊的对比,发现前10年排在前4位的期刊Catalysis TodayEnergy & FuelsIndustrial & Engineering Chemistry Research在第二个10年的排名下降至后5位,而前10年排名在后3位的FuelApplied Catalysis B-Environmental在后10年跃升至前5位。此外,后10年新增ACS CatalysisJournal of CO2 UtilizationCatalysis Science & Technology等刊冲入前10位。

3.5 学科交叉分析

2001–2010年、2011–2020年CO2化工转化利用领域论文所涉及的TOP10 WoS学科基本相同,相应的排名也接近,其中Chemistry, Physical、Engineering, Chemical、Energy & Fuels三个WoS学科是该领域论文的主要分布学科。总体而言,CO2化工转化利用领域的研究涉及化学、物理、环境、工程等学科的交叉融合,例如,研究CO2参与化工产品制备过程中的化学反应机理;探究CO2在环境保护方面的应用,如利用CO2制备可降解塑料。两个时间窗相比,该学科领域论文涉及Engineering和Environmental学科的论文比重和排名提升相对较多(表5)。

此外,本文通过赫尔芬达多样性指数(PDIV指数)来测度和反映某个学科领域的论文在其所涉及的WoS学科上分布的集中或者分散程度,从而反映该学科领域的学科交叉度。表5中给出了基于TOP10学科领域的学科交叉度。该领域论文的学科交叉度在2011–2020年相比2001–2010年略微有所提升。

4 研究热点及发展趋势分析

4.1 热点研究主题分析

利用 VOSviewer 软件绘制了化工转化利用领域技术主题共现网络图,其中红色区域代表技术领域中节点数量多、权重大的主题。从图8图9可以看出,2001–2010年CO2化工转化利用领域的研究热点集中在CO2合成甲烷并进一步制合成气以及CO2加环氧丙烷制聚碳酸酯;2011–2020年CO2化工转化利用领域的研究热点集中在CO2加氢电解制甲醇/甲酸、CO2加氢热解制合成气、CO2加环氧丙烷或碳酸盐制聚碳酸酯以及CO2制生物质燃料。

4.2 研究领域发展趋势分析

在分析CO2化工转化利用领域发展趋势时,本文利用CiteSpace突变词探测功能,对2011–2020年的基础数据进行年代切片,设置每一年为一个时间切片,对每个切片中突现关键词进行探测,最终得到表6。分析发现近十年该领域的研究制备产品热点从CO2制可降解塑料转移到CO2制低烯烃,制备工艺也从加氢热解转移至电化学反应。

进一步绘制中美两国2011–2020年在CO2化工转化利用领域的研究发展趋势图(如图10图11),可以发现中国在该领域的研究热点由CO2制甲酸、合成气向制甲醇及低烯烃转移,美国的研究热点从CO2制备氨、甲醇、生物燃料转移至CO2制备合成气。

5 结语

2001–2020年CO2化工转化利用领域发文量保持稳步增长发展态势,与2001–2010年相比,2011–2020年论文增速明显加快,全球研究规模显著扩大。该领域发文期刊变化较大,对比前后两个时间窗的TOP10发文期刊,发现前10年排名在后3位的Fuel和Applied Catalysis B-Environmental在后10年跃升至前5位,后10年TOP中新增ACS CatalysisJournal of CO2 UtilizationCatalysis Science & Technology等期刊。该领域论文学科交叉度2011–2020年较2001–2010年略有提升。相比2001–2010年的热点研究主题CO2合成甲烷并进一步制合成气以及CO2加环氧丙烷制聚碳酸酯,2011–2020年研究热点在制品产品和工艺上均有所增加,如增加了CO2加氢电解制甲醇/甲酸、CO2加碳酸盐制聚碳酸酯以及CO2制生物质燃料。

总体来看,2001–2020年中国CO2化工转化利用领域的发展态势有以下表现:在成果产出规模方面,较之2001–2010年,2011–2020年中国发文量增速较快,增长4.6倍,超过美国,跃居全球第1位;在学术影响力方面,绝对影响力略超美国,位居世界第1,相对影响力有较大提升,从第9位上升至第5位,但与美英等国仍存在一定差距。从国际合作来看,在国际合作网络中取代美国成为网络中心,合作国家也越来越多。近10年中国在该领域的研究热点由CO2制甲酸、合成气向制甲醇及低烯烃转移,美国的研究热点从CO2制备氨、甲醇、生物燃料转移至CO2制备合成气。

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