1 引言
碳元素与人类生活密切相关，它是生命体中的基本元素之一，也是有机化合物的构成要素
[1]。它具有三种杂化态sp、sp
2和sp
3，不同的杂化态可以形成不同的碳同素异形体
[2,3]。长期以来，碳科学一直是国际研究的热点，具备广阔的发展前景和巨大的成长潜力。1996年诺贝尔化学奖颁发给了富勒烯的发现者Robert F. Curl、Harold W. Kroto和Richard E. Smalley，2010年两位发现石墨烯的英国物理学家Andre K. Geim和Konstantin Novoselov获得了诺贝尔物理学奖，碳科学不断取得的成就也引起了研究人员对于新型碳同素异形体的研究热情。研究人员普遍认为，具有sp杂化态的新型碳同素异形体可能成为继石墨烯之后的超级材料，具有广阔的发展空间
[4]。2010年，中国科学院李玉良研究员提出了一种化学方法，在铜箔表面原位合成石墨炔，首次成功制备了面积为3.61 cm²的石墨炔薄膜，这一成果开创了人工合成新型碳同素异构体的先河
[5,6]。自石墨炔成功合成以来，国际上许多知名研究团队相继对石墨炔展开研究
[7,8]。石墨炔是六个苯环通过二炔键连接的全碳分子，具有二维平面网络结构，具备优异的电学、光学和光电性能
[3]。石墨炔在光电、水资源净化、电化学电池等领域具有广阔的应用前景
[9]。在中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安公司联合发布的《2020研究前沿》报告中，石墨炔研究入选化学与材料科学TOP10热点前沿
[10]。
近年来，关于石墨炔的研究逐渐增多，降低制造成本、简化反应过程以及石墨炔在新兴产业中的应用，已成为石墨炔研究领域备受关注的焦点话题
[11,12]。在此背景下，本文从文献计量视角出发，对石墨炔的国际发展态势进行分析，研究数据来自Web of Science核心合集的SCIE数据库，分析内容包括总体发展趋势、主要发文国家/地区、主要研究机构、研究主题与研究热点，以期为石墨炔领域的发展提供一定的参考。
2 石墨炔研究进展
2.1 石墨炔的结构和性质
石墨炔（Graphyne）是一种二维平面网络材料，有大比表面积、结构稳定性强的优点
[13]。石墨炔可以分为石墨单炔、石墨二炔和石墨三炔等
[14]。但目前只有合成石墨二炔取得了较大的突破
[15,16]。从石墨炔的电子结构来看，它具有较窄的带隙，同时具备良好的导电性，在光电领域中具有较大的应用价值和发展潜力。从石墨炔的电化学性质来看，石墨炔表现出优异的电子传输性能
[17⇓-19]。从石墨炔的催化性质来看，石墨炔具有独特的结构特征，与石墨烯等碳材料不同，主要是由碳原子之间通过三键相连形成网状结构。在催化过程中，石墨炔可以通过氮原子的掺杂来改变其催化性能。实验证明，通过这种氮掺杂方式可以有效提高石墨炔的氧气吸附活性
[20]。
2.2 石墨炔的合成
由于石墨炔的化学惰性高、结构稳定性强以及现有制备技术存在不足等原因，石墨炔的合成一直是该领域的研究热点问题
[21,22]。目前，石墨炔的合成方法主要可分为干法化学合成和湿法化学合成
[23⇓-25]。
（1）干法化学合成
干法化学合成包括铜片法、化学气相沉积法、爆炸法等方法
[26⇓-28]。北京大学张锦课题组利用低温化学气相沉积法制备了单层石墨炔，制备出的石墨炔薄膜的电导率可达到6.72 S cm
−1，展现出了优异的性能
[28]。中国科学院李玉良团队研发出一种在空气中以120°C高效制备石墨炔的爆炸法，这种方法无需任何金属催化剂，制备出的石墨炔在热稳定性、导电性方面表现出极大的优势
[29]。
（2）湿法化学合成
湿法化学合成包括溶液范德华外延法等
[30⇓-32]。北京大学张锦研究组利用改良的Glaser-Hay方法，调节加入的有机碱的配比，利用Glaser-Hay耦合反应速度快的特点，石墨炔先在铜基体上竖直生长，然后在铜基体上生成均一的石墨炔纳米壁
[33,34]。天津理工大学鲁统部课题组提出了一种改良的范德华外延法，用于在石墨炔表面直接合成具有高均匀性和可控厚度的晶片级石墨炔薄膜，为构建大规模石墨炔突触阵列提供了理想的平台
[35]。
2.3 石墨炔的潜在应用
作为一种“未来材料”，石墨炔凭借其独特的电子结构和卓越的性能，吸引了研究人员的广泛关注。他们积极探索和挖掘石墨炔在废水处理、气体分离、海水净化、电化学电池等方向的各种潜在应用前景。
石墨炔在污水处理领域表现出良好的性能，并在实验室内实现了对污染物的高效处理。北京大学张锦教授课题组采用铜泡沫作为基底，成功制备出有序蜂窝状结构的石墨炔
[36]。这种石墨炔经过聚二甲基硅氧烷包覆后，不仅具备极强的疏水性能，而且可循环利用。
石墨炔的孔洞结构为实现气体分离提供了条件。不同类型的石墨炔具有不同大小的孔洞，可用于实现不同种类的气体分离。石墨炔用于气体分离的优势主要在于不用借助任何化学功能或辅助手段，在一定压力下为气体分离提供稳定的材料平台。当前，许多研究工作从理论层面已经证实了石墨炔在气体分离方面的巨大潜力。然而，这一领域仍处于起步阶段，需要克服众多挑战，并最终实现工业化应用
[37]。
石墨炔在海水淡化领域也被认为有广阔的发展空间。根据理论预测，石墨炔具有高渗透性和高选择性，并能完全排斥盐离子通过。石墨炔纳米网无需进行化学修饰，具有较高的稳定性。Buehler等人的研究表明，在石墨炔孔洞中，水分子能够不受阻碍地穿过，形成一个“纳米网”，将盐离子完全隔离在外，具有很好的脱盐效果
[38]。
石墨炔具有大比表面积和多孔隙结构的特点，能够提供更多的锂离子存储空间，可用作锂离子电池的正极材料
[39⇓-41]。石墨炔具有较好的亲锂性，能够通过化学作用改善锂的性能，使锂离子能够快速穿过其孔洞，并将溶剂阻隔在外部，从而提高电池的性能和稳定性。
3 石墨炔领域研究态势分析
3.1 数据来源与研究方法
本文的研究数据源自Web of Science核心合集的SCIE数据库。借助石墨炔相关检索词，构建检索策略：TS= (Graphyne* or Graphdiyne*) AND DT=(Article or Review)，共检索到石墨炔相关研究文献2900多篇，数据采集时间为2024年2月。本文主要采用文献计量方法，使用Derwent Data Analyzer、VOSviewer等工具，从总体发展趋势、主要发文国家/地区、主要研究机构、研究主题与研究热点等维度进行分析。
3.2 石墨炔领域总体发展趋势分析
对某一领域的总体发文量按照时序进行统计，可以厘清该领域发展的相关脉络，有助于梳理出该领域发展的重要时间点，从而对该领域有更为清晰的认识和把握。按正式发表年统计发文量，得到石墨炔领域总体发展趋势（
图1）。截至目前，石墨炔领域的研究大致可以划分为三个阶段。
第一阶段（1987－2009年），石墨炔相关研究处于起步阶段。Baughman等于1987年提出石墨炔的理论模型，在理论上预测了由炔键连接的碳同素异形体的平面结构
[2]。Baughman的研究为石墨炔的探索奠定了基础，推动了石墨炔研究的初期发展。此后，国际上一些知名研究团队相继对石墨炔展开了相关的研究，但是并没有得到明确的结论证明石墨炔结构可稳定存在。在这一时期，有关石墨炔的研究较为匮乏，甚至有些年份没有相关研究论文，石墨炔尚未引起研究人员的广泛关注。
第二阶段（2010－2016年），石墨炔研究领域取得了突破性进展，逐渐引起了研究人员的广泛关注，该领域开始快速发展。2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发明者——两位英国物理学家Andre K. Geim和Konstantin Novoselov。碳元素被越来越多的学者认为是未来发展的“蓝海”，获得了研究人员的青睐
[42]。同年，中国科学院化学研究所的李玉良研究员提出了一种化学方法，在铜箔表面原位合成石墨炔。他们首次成功制备了大面积（3.61 cm
2）的石墨炔薄膜，为人工合成新的碳同素异形体开辟了先河
[5]。此后，石墨炔相关研究逐渐吸引了越来越多的学者参与，这一领域的研究呈现出快速发展势头，各种新的探索和发现也在不断涌现。
第三阶段（2017年至今），石墨炔的研究迈入蓬勃发展的阶段，这一领域的相关论文数量呈现出急剧上升的趋势，标志着石墨炔持续受到关注。相关论文数量从2017年的168篇逐年攀升，至2023年已达到505篇，近五年发文量占总发文量的比例高达68%。这一急剧增长的趋势清晰地反映出石墨炔领域的持续热度和研究活跃度。这些发展不仅推动了该领域的进步，也为未来的石墨炔应用和技术创新提供了强有力的支持。
3.3 主要发文国家/地区分析
3.3.1 主要国家/地区及其论文影响力
论文影响力可以通过多种指标进行衡量，本文选取了总被引次数、ESI高被引论文数量、论文标准化影响力（Category Normalized Citation Impact，后简称CNCI）累计值以及篇均CNCI等作为评估论文影响力的指标。
CNCI是一种基于 InCites平台的学术论文影响力评价方法，剔除了发表年份、主题领域和类型等因素的影响
[43]。一篇论文的CNCI值是根据其实际被引次数与同一文献类型、出版年份和学科领域的文献期望被引次数的比值计算得出的
[44,45]。
选取CNCI累计值最高的TOP20国家，对石墨炔领域国家论文发表数量和影响力进行分析，得出该领域主要的论文产出国家及其论文影响力（
表1）。我国的CNCI累计值遥遥领先于美国和印度，呈现出明显的优势地位。但篇均CNCI相对其他国家稍显落后，反映了平均论文质量仍有待提升。我国的论文产出数量位于世界第一，为2050篇，占比约70%，远远超过CNCI排名第二位和第三位的美国和印度，充分展现了我国在该领域的研究实力和贡献程度。我国在总被引次数方面遥遥领先于其他国家，总被引次数达到71696次。美国紧随其后，总被引次数为11223次。澳大利亚、印度分列总被引次数排名的第三、第四位，分别为5244次和4181次。在发文量TOP20国家中，我国的国际合作论文比重较低，仅为20%。相比之下，美国等发达国家的国际合作比重明显更高。我国以86篇高被引论文的数量处于领先地位。美国有8篇高被引论文，排名第二。
我国在石墨炔研究领域处于领先地位，不仅论文总被引次数、ESI高被引论文数量和论文产出数量遥遥领先于其他国家，CNCI累计值也表现出明显优势。但篇均CNCI相对其他国家稍显落后，反映出平均论文质量仍有待提升。尽管我国在石墨炔领域的研究起步较晚，但在该领域的研究实力和影响力已达到全球领先水平。为了推动该领域的持续发展和进步，我国仍需进一步提升论文质量，并加强国际合作。
3.3.2 主要国家/地区合作情况
国际合作网络分析可以反映国家/地区在该领域的国际合作情况，以及国家/地区在合作网络中的重要性
[46,47]。在本文分析的2900多篇石墨炔相关论文中，有625篇论文由两国或两国以上作者合作完成，约占全部论文的21.3%，该领域尚未形成广泛的国际合作。本文选取CNCI累计值排名TOP20的国家，使用VOSviewer进行共现分析，得到石墨炔领域国家合作情况（
图2）。在石墨炔领域的国际合作网络中，我国处于核心地位，与许多国家建立了广泛而频繁的合作关系，尤其是与美国、日本等国家的合作关系较为密切。此外，美国、伊朗、印度等拥有较多论文数量的国家也在国际合作网络中扮演着重要角色，在网络中的中间中心度较高。
3.4 主要研究机构分析
3.4.1 主要研究机构及其论文影响力
选取CNCI累计值最高的TOP20机构，对其在石墨炔领域的论文发表数量和影响力进行分析，得到该领域主要的论文产出机构及其论文影响力（
表2）。TOP20论文产出机构中，来自中国的有17家，这进一步佐证了我国在石墨炔领域的科研核心地位。中国科学院在石墨炔领域的研究优势明显，拥有500多篇论文。2010年，李玉良研究员带领团队在石墨炔研究中取得了突破性的进展，石墨炔领域也受到来自中国科学院研究人员的重视
[48]。TOP20机构中仅有3家来自外国，分别是伊朗伊斯兰阿扎德大学（第13名）、韩国成均馆大学（第16名）、伊朗沙希德拉贾耶师范大学（第20名），说明了伊朗和韩国在石墨炔领域的地位。
中国科学院相关论文收到的总被引次数最高，为36000多次，其次为北京大学（8298次）、山东大学（4800次）。中国科学院CNCI累计值最高，为1465.2，其次为山东大学（378.9）、北京大学（294.6）。但相比之下，中国科学院的篇均CNCI优势不如CNCI累计值明显，排名落后于北京大学、天津工业大学等机构。中国科学院拥有的ESI高被引论文数量最多，为65篇，占石墨炔领域ESI高被引论文总数的66%，其次为山东大学，ESI高被引论文数量为10篇，占比达10%。
3.4.2 主要机构合作情况
科研合作已经成为科研产出的重要手段之一。
图3展现了各机构之间的合作关系，其中，连线的多少代表了合作的频繁程度。中国科学院与山东大学的中间中心度都较高，对外有较为频繁的合作关系。此外，中国科学院还与清华大学、吉林大学等机构之间存在着紧密的合作关系。在主要产出机构的合作网络中，国外机构的数量相对较少，仅有韩国成均馆大学、伊朗伊斯兰阿扎德大学、新加坡国立大学等少数学校参与其中，显示了它们在石墨炔领域拥有的研究实力和对该领域的高度关注。值得注意的是，尽管石墨炔领域的研究正在蓬勃发展，但在机构合作方面，目前主要是国内机构之间展开了较频繁的合作，而国内机构与国外机构之间的合作则较为有限。
3.5 研究主题与研究热点分析
3.5.1 引文主题分布研究
学科分类在学术研究中扮演着至关重要的角色，它不仅有助于研究者厘清学科领域的边界和范畴，更能够促进学术交流与合作。然而，传统的学科分类体系往往较为静态，无法全面反映学科随时间变化的情况，限制了对学科发展趋势的准确把握。为了应对这一挑战，科睿唯安于2020年推出了“引文主题”（Citation Topics）动态分类体系，分为宏观（Macro）、中观（Meso）、微观（Micro）三级，从而更准确地捕捉学科演变情况。
石墨炔相关领域的研究主要集中在化学领域。化学领域的论文数量达到2597篇，占比约88%。这反映了化学家们对于石墨炔的合成、结构分析以及在化学反应和材料科学中的潜在应用方面兴趣浓厚。其次是物理领域（98篇），占比约为3%。尽管石墨炔相关研究主要集中在化学领域，但其他领域的论文数量也在逐渐增加，为跨学科合作和深入研究提供了空间。
由石墨炔领域TOP10中观主题分布（
表3）可知，在化学领域，“二维材料”中观主题占比最多，数量为1359篇，总被引频次和ESI 高被引论文数量均位居第一。李玉良院士于2010年发表的论文“Architecture of Graphdiyne Nanoscale Films”即属于该主题，李玉良院士及其研究团队在这篇论文中介绍了如何通过合成化学方法成功获得一种新型的碳同素异形体——石墨炔。其次是“电化学”中观主题，论文数量为455篇，ESI高被引论文数量为23篇。下属微观主题中，论文数量最多的是“氧还原反应”（186篇），这主要由于石墨炔具有卓越的光催化、电化学催化性能，使其成为研究氧还原反应的理想材料。当前，石墨炔相关研究已经从最初的聚焦化学逐步扩展到其他领域，取得了一系列重要成果。未来，多学科的交叉融合将进一步推动石墨炔研究的深入，为我们更好地理解其性质、拓展其应用提供广阔的空间和机遇。
3.5.2 引文主题随时间变化的研究
研究主题随时间的推移而不断演变。
图4选取出现频率较高的石墨炔领域中观主题，呈现这些主题发文量大于5篇的年份分布情况。可以看出，2011年之前石墨炔领域的研究相对较少，因此研究主题也较为有限。而2011－2015年期间，研究主要集中于“二维材料”和“合成”主题，其他主题的研究相对较少。然而，随着时间的推移，特别是在2017年之后，石墨炔领域的研究主题呈现出多样化的趋势，研究的主题逐渐变得更加丰富。
“二维材料”是最为热门的研究主题，论文数量高达1359篇，2012年至今，“二维材料”主题的研究热度已经持续超过十年。持续时间长度第二的为“合成”主题，自2014年以来一直保持着相对较高的出现频率，显示了该领域的稳步发展。目前，石墨炔的合成方法通常效率较低，而且产物可能含有杂质，因此提高合成效率和纯度成为当前研究的重点之一。
此外，石墨炔领域的研究也逐渐扩展到了“超导科学”，尽管出现时间较晚且论文数量不多，但可能代表着该领域最新的研究方向。未来，可以将研究方向聚焦在石墨炔在超导材料方面的应用，以期探索更广阔的研究领域。
3.5.3 不同国家引文主题分布的研究
图5展现了发文量Top20国家的中观主题分布情况。所有国家的论文都在“二维材料”主题上有较多的分布。具体来说，在“二维材料”主题中，我国的论文数量最多（827篇），其次是伊朗（200篇），美国排在第三位（115篇）。其次是“电化学”主题，该主题的论文数量明显少于“二维材料”，我国在“电化学”主题的论文数量占据绝对优势，其次是印度。我国在“二维材料”和“电化学”主题中的研究较为丰富，其他主题虽有分布，但是数量较少。未来相关研究人员可以尝试探索石墨炔的其他研究方向，以期取得新的突破。
4 结论
石墨炔的发展总体来说分为三个阶段：第一阶段（1987－2010年），论文数量较少，对石墨炔的研究主要停留在理论层面；第二阶段（2011年－2016年），石墨炔的研究取得了突破性进展，有关石墨炔的论文出现了爆发性增长；第三阶段（2017年至今），石墨炔的研究进入稳步增长的阶段，研究方向也出现了“百花齐放”的场面。
总体来看，石墨炔领域的研究态势有以下表现。
从论文产出的数量和质量来看，我国是石墨炔研究的主力军，在石墨炔领域取得了丰富的成果。论文数量遥遥领先，占全球相关发文量约70%。CNCI累计值、ESI高被引论文、总被引次数均位于世界第一位，但是平均论文质量不高，与美国等发达国家相比还存在一定的差距。
从国际合作来看，我国位于合作网络的中心，与美国、日本等国家合作关系紧密，为推动石墨炔领域的国际合作贡献了大国力量。石墨炔相关领域的机构合作以我国的机构为主，国外机构参与较少，目前多为国内机构之间的合作。
从研究机构来看，主要研究机构多为高等院校和科研机构。其中，中国科学院论文数量最多，CNCI累计值和ESI高被引论文数量位于世界第一位，总被引次数也远远超过了其他机构。国内机构在石墨炔研究方面投入较多，而国外机构的研究相对较少。
从研究主题与研究热点来看，初期，石墨炔研究只聚焦于两个研究主题，经过多年的发展，研究主题逐渐多元化。“二维材料”作为石墨炔研究的主要主题，一直保持着较高的研究热度。同时，“超导材料”“纳米粒子”等一些新兴研究主题也不断涌现。
基于上述分析，对我国石墨炔领域的未来发展提出以下建议。
（1）继续扩大研究规模，同时注重提高研究质量。当前我国已经成为石墨炔研究的主力军，论文总量远超世界其他国家，占据石墨炔领域发文量的70%，但平均论文质量仍落后于澳大利亚、沙特阿拉伯等国家，需要注意提升研究质量。
（2）加强国际合作。当前，我国的国际合作论文数量位居世界第一，也是全球石墨炔研究网络的核心，与美国、日本合作关系密切。未来可以进一步加强国际合作，与石墨炔领域研发实力较强的国家（美国、伊朗等）进行合作，充分利用国内外科研团体的力量和资源，共同探索石墨炔的物理、化学性质，深入研究石墨炔制备合成方法，与其他国家共同推动石墨炔领域的发展，巩固我国在石墨炔领域的国际引领地位。
（3）推动产业转化。当前，石墨炔领域论文产出机构主要为高校与科研机构，企业参与较少，产业转化能力较弱。除了继续深入开展基础研究外，需要将更多的精力投入到石墨炔的应用研究中，探索其在能源、材料科学等领域的潜在应用，促进研究成果向实际产业转化，推动石墨炔技术的商业化和产业化发展。
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