時利香,陳瑾,李薇,丁慧

(1.資源環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,華北電力大學(xué),北京 102206； 2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012;3.華能國際電力股份有限公司上安電廠，河北 石家莊 050300)

隨著石油、化工、能源加工業(yè)的工藝向著高溫、高壓和大型化方向發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模愈來愈大，對設(shè)備的安全性、可靠性提出了更高的要求。作為設(shè)備重要組成部分的金屬材料，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。金屬腐蝕指金屬與其周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)而遭到破壞的現(xiàn)象[1]。腐蝕不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且破壞社會生產(chǎn)的正常進(jìn)行，造成的后果十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上每年因腐蝕而報(bào)廢的金屬材料有很多，其中有10%左右的廢料無法再循環(huán)利用[2]。據(jù)中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會數(shù)據(jù)表明，全世界每年因腐蝕而損耗的鋼鐵材料占鋼鐵總產(chǎn)量的1/6，我國每年腐蝕損失高達(dá)2萬億元。目前對金屬腐蝕防護(hù)最有效的方法之一是添加緩蝕劑[3-4]。緩蝕劑以其使用劑量小、花費(fèi)低、投加方便等優(yōu)點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用到石油的開采加工、酸洗、工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)等領(lǐng)域[6]。

雖然關(guān)于緩蝕劑的研究論文越來越多，但是利用文獻(xiàn)計(jì)量方法對該領(lǐng)域發(fā)展動態(tài)的報(bào)道極少。為了解目前全球緩蝕劑的研究現(xiàn)狀及研究趨勢，本文采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，以Web of Science核心合集中收錄的有關(guān)緩蝕劑的文獻(xiàn)為研究對象，借助CiteSpace工具進(jìn)行可視化圖譜分析，以期能夠揭示緩蝕劑研究的方向、熱點(diǎn)機(jī)構(gòu)、國家、期刊分布情況以及研究發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢前沿，為相關(guān)研究提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

文獻(xiàn)計(jì)量分析旨在對文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)特征進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段和數(shù)學(xué)方法對研究對象進(jìn)行定量分析[7-10]，其結(jié)果多是對文獻(xiàn)的構(gòu)成分布情況、數(shù)量變化規(guī)律、數(shù)據(jù)間交互關(guān)系等的描述[10]，被認(rèn)為是科學(xué)、定量分析的主要工具[12-13]。近年來，文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)被廣泛地應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域論文統(tǒng)計(jì)、國家或研究機(jī)構(gòu)影響力評價(jià)、發(fā)展態(tài)勢分析等方面[14-15]。

CiteSpace是由美國德雷塞爾大學(xué)( Drexel) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳超美教授[16]與大連理工大學(xué)WISE 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的信息可視化軟件[17-18]，是用來分析和可視共引網(wǎng)絡(luò)的Java 應(yīng)用程序[19]，近年來被廣泛用于文獻(xiàn)引文網(wǎng)絡(luò)分析[20]。CiteSpace在對某一學(xué)科或領(lǐng)域進(jìn)行分析時，通過合作網(wǎng)絡(luò)分析、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析和共被引網(wǎng)絡(luò)分析等繪制出某學(xué)科領(lǐng)域的可視化科學(xué)知識圖譜，實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域新趨勢與新動態(tài)[21]的可視化研究。

Web of Science 數(shù)據(jù)庫是由美國科技信息所(Institute for Scientific Information，ISI)推出的引文索引數(shù)據(jù)庫，是目前提供引文回溯數(shù)據(jù)最深的數(shù)據(jù)庫，所收錄的文獻(xiàn)覆蓋了全世界最重要和最有影響力的研究成果，成為國際公認(rèn)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)與科學(xué)評價(jià)的主要檢索工具[22]。通過綜合利用以上分析手段，本文針對緩蝕劑領(lǐng)域的現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析，以WOS核心合集為數(shù)據(jù)來源，采用基本檢索的方式，以主題為檢索項(xiàng)，以“Corrosion inhibitor”為檢索詞進(jìn)行檢索，檢索年限為2005～2020年，檢索到10 349條文獻(xiàn)題錄，檢索時間為2020年5月3日。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩蝕劑研究方向分析

緩蝕劑經(jīng)歷了從無機(jī)到有機(jī)、從高磷、低磷到無磷、從高毒、低毒無毒的發(fā)展歷程。19世紀(jì)中期，緩蝕劑才被用于工業(yè)生產(chǎn)。1860年英國公布的用糖漿及薰衣草的混合物作為酸洗緩蝕劑[23]的第一個專利，拉開了緩蝕劑的序幕。到了20世紀(jì)中期，人工合成緩蝕劑得到大力的開發(fā)利用，主要是含N、O、S等雜原子的有機(jī)物。20世紀(jì)50年代，金屬銅的廣泛使用使適用于銅系金屬的緩蝕劑受到極大的重視。20世紀(jì)60年代，緩蝕劑的研究相當(dāng)活躍，關(guān)于世界腐蝕與防護(hù)方面的國際學(xué)術(shù)會議首次舉行，腐蝕類專業(yè)刊物也應(yīng)運(yùn)而出。20世紀(jì)60～70年代，主要是有關(guān)冷卻水中銅、鋁[24]的緩蝕劑和氣相緩蝕劑的研究與使用。20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)業(yè)的興起，利用計(jì)算機(jī)建立緩蝕劑的數(shù)學(xué)模型也讓緩蝕劑開發(fā)進(jìn)入一個新階段。20世紀(jì)90年代，由于人們對環(huán)境保護(hù)意識的逐步增強(qiáng)，緩蝕劑的運(yùn)用越來越趨向綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、無毒、“綠色化學(xué)”[25-27]的方向。進(jìn)入21世紀(jì)，以天然物質(zhì)為原料制取的緩蝕劑,如松香衍生物系列、聚天冬氨酸 (PASP) 海洋生物的提取液[28-29]以及以毛發(fā)水解產(chǎn)物為主要成分復(fù)配的緩蝕劑,都具有優(yōu)良的生物降解及環(huán)境友好特性。

利用Web of Science 中分析檢索結(jié)果功能，觀察緩蝕劑的研究方向。對發(fā)文量排名前十的研究方向進(jìn)行做圖分析。

圖1 緩蝕劑在不同研究方向的發(fā)文量Fig.1 Number of published papers for corrosion inhibitors in different research directions

由圖1可知，近15年緩蝕劑在材料科學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域研究應(yīng)用較多，主要集中在材料科學(xué)、冶金工程、材料涂層、電化學(xué)、物理化學(xué)、工程化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等方向。

2.2 國際合作分析

對上述10 349篇文獻(xiàn)進(jìn)行國家合作網(wǎng)絡(luò)分析，經(jīng)過分析可知，該研究領(lǐng)域內(nèi)有63個國家進(jìn)行合作，形成了159條合作連線，國家共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密度為0.078 3，表明國家之間已經(jīng)形成較密切的合作網(wǎng)絡(luò)。圖中發(fā)文量最大的國家是中國(2 177篇)，占全球文章發(fā)表數(shù)量的21.04%，其次是印度(1 378篇)、埃及(949篇)、美國(748篇)、沙特阿拉伯(739篇)、伊朗(562篇)、摩洛哥(438篇)等。中心性最高的國家是英國(0.28)，說明其與其他國家合作密切，輻射影響力較強(qiáng)，主要與伊朗、摩洛哥、印度、法國、南非等國家合作。中國的中心性較低，為0.01，主要與印度、澳大利亞等國家合作，說明在該領(lǐng)域的輻射影響力較低。雖然摩洛哥的發(fā)文量僅排名第七，但是其中心性為0.23，表明摩洛哥在該領(lǐng)域的研究深度和廣度、與其他國家的合作密度、在國際上的影響力等都較為突出。依照中心性對該領(lǐng)域論文發(fā)表國家進(jìn)行排序(表1)，通過分析發(fā)現(xiàn)國家的發(fā)文量與中心性相關(guān)性不大。

表1 中心性排名前十的國家Table 1 Top 10 countries for centrality

2.3 研究機(jī)構(gòu)合作分析

目前全球有105個機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域發(fā)表研究成果，分別按照發(fā)文量和中心性進(jìn)行機(jī)構(gòu)排名如下(表2)。

表2 不同角度下排名前十的研究機(jī)構(gòu)Table 2 Top 10 research institutions from different perspectives

從機(jī)構(gòu)排名結(jié)果來看，發(fā)文前10的機(jī)構(gòu)依次為中國科學(xué)院發(fā)文292篇，占比2.82%；西北大學(xué)發(fā)文227篇，占比2.19%；法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)發(fā)文227篇，占比2.19%；印度巴納拉斯大學(xué)發(fā)文205篇，占比1.98%；沙特國王大學(xué)發(fā)文165篇，占比1.59%；埃及石油研究所發(fā)文154篇，占比1.49%；艾因夏姆斯大學(xué)發(fā)文146篇，占比1.41%；西南石油大學(xué)發(fā)文134篇，占比1.29%；穆罕默德大學(xué)發(fā)文124篇，占比1.20%；重慶大學(xué)發(fā)文117篇，占比1.13%。這些機(jī)構(gòu)屬性都是大學(xué)和科研院所，說明學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)很重視緩蝕劑研究并且做出了巨大貢獻(xiàn)。

從按照中心性進(jìn)行機(jī)構(gòu)排名結(jié)果來看，中國科學(xué)院中心性為0.41，主要與法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)、重慶大學(xué)、UYO大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作；西北大學(xué)中心性為0.39，主要與印度巴納拉斯大學(xué)、法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)、UYO大學(xué)、西南石油大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作。中國科學(xué)院和西北大學(xué)在機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜中起到重要的橋梁紐帶作用。雖然(伊本佐爾大學(xué)和UYO大學(xué)的發(fā)文量較低(分別為79篇、63篇)，但是其中心性比較高(0.26和0.24)，在機(jī)構(gòu)合作中扮演重要角色。

2.4 引文共被引分析

共被引分析(Co-Citation analysis)是指兩篇文獻(xiàn)共同出現(xiàn)在第三篇施引文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)目錄中，則這兩篇文獻(xiàn)形成共被引關(guān)系。通過對一個引文網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文獻(xiàn)共被引關(guān)系挖掘的過程，就可以認(rèn)為是文獻(xiàn)共被引分析的過程。共被引次數(shù)越多，這說明這兩篇文獻(xiàn)相似之處越大，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度也越大，被引用文章的研究重點(diǎn)即為該領(lǐng)域或?qū)W科的熱點(diǎn)、前沿方向。

通過分析緩蝕劑研究引文共被引分析知識譜圖發(fā)現(xiàn)，Solmaz R在2008年發(fā)表文章“Investigation of adsorption and inhibitive effect of 2-mercaptothiazoline on corrosion of mild steel in hydrochloric acid media”被引用的次數(shù)最多，且中心性也最高(1.11)。其次是Popova A 在2004年發(fā)表文章“Adsorption characteristics of corrosion inhibitors from corrosion rate measurements”、Gece G在2008年發(fā)表文章“The use of quantum chemical methods in corrosion inhibitor studies”、Aljourani J 在2009年發(fā)表文章“Benzimidazole and its derivatives as corrosion inhibitors for mild steel in 1M HCl solution”。

通過研讀這些高共被引文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)研究內(nèi)容集中在四個方面：(1)含有硫、含氮、含氧[30]的化合物在酸性介質(zhì)中對低碳鋼的緩蝕效果好，比如咪唑類、衍生物、烷基咪唑離子、酮康唑等有機(jī)物[31-33]；(2)一般通過失重試驗(yàn)、電化學(xué)阻抗譜、動電位極化、線性極化電阻技術(shù)對緩蝕劑的緩蝕性能進(jìn)行研究[34]，同時還會利用掃描電鏡、AFM(原子力顯微鏡)進(jìn)行表面形貌的觀察分析；(3)對于緩蝕劑的緩蝕效果，量子化學(xué)法可以分析緩蝕劑的結(jié)構(gòu)與性能，從微觀層面深入分析緩蝕劑的結(jié)構(gòu)官能團(tuán)與緩蝕效果的關(guān)系；(4)通過熱力學(xué)函數(shù)[30]計(jì)算得到緩蝕劑的吸附自由能、吸附熱等參數(shù)，分析緩蝕劑在金屬表面的吸附類型及方程。

2.5 研究發(fā)展態(tài)勢分析

關(guān)鍵詞是作者提煉其研究內(nèi)容的重點(diǎn)，所以分析關(guān)鍵詞可以反映該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和發(fā)展態(tài)勢，文獻(xiàn)計(jì)量分析往往是使用關(guān)鍵詞作為重要的指標(biāo)。

2.5.1 研究熱點(diǎn)頻次分析 利用關(guān)鍵詞詞頻分析可以從成果數(shù)量的角度反映出該研究的熱點(diǎn)和弱項(xiàng)。為了研究緩蝕劑這一領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的趨勢變化，分析10 349篇數(shù)據(jù)集2005～2010年、2011～2015年、2016～2020年排名前15的關(guān)鍵詞。

表3顯示的是不同階段關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率的降序排列，可以看出，“mild steel”一直位于榜首，說明從2005年到目前為止腐蝕研究的材料一直是低碳鋼，且在2011年以后較以前增加了1倍。比較三個年限階段，發(fā)現(xiàn)在2011～2015和2016～2020年兩個階段出現(xiàn)新的關(guān)鍵詞“電化學(xué)阻抗譜”，這是一種利用電化學(xué)工作站進(jìn)行的探究緩蝕劑的電化學(xué)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)方法。比較2005～2010年和2011～2015年關(guān)鍵詞降序，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞“吸附”由第五變?yōu)榈诙?，這是由于有機(jī)緩蝕劑主要是通過吸附在金屬表面形成保護(hù)膜來起到腐蝕抑制作用，為緩蝕劑機(jī)理研究提供了新的思路。同時，在2011～2015年鋁金屬材料成為大家研究金屬腐蝕的熱點(diǎn)材料；比較2016～2020年和2011～2015年關(guān)鍵詞降序，并沒有很大的變化情況，新出現(xiàn)“表面”關(guān)鍵詞，說明腐蝕領(lǐng)域的研究開始著重金屬材料表面的觀察分析，目前掃描電鏡、原子力顯微鏡、X射線光電子能譜分析成為金屬材料主要的表面形貌和成分分析手段。

表3 不同年限前15位高頻關(guān)鍵詞降序排列Table 3 Descending order of top 15 high frequency keywords in different years

2.5.2 研究熱點(diǎn)共現(xiàn)分析 共現(xiàn)是指兩個詞在一篇文獻(xiàn)中一起出現(xiàn)的次數(shù)，出現(xiàn)的次數(shù)越多，表明這兩個關(guān)鍵詞主題越緊密。通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，發(fā)現(xiàn)共有83個關(guān)鍵詞共現(xiàn)，共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密度為0.045 8，說明關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系較緊密。其中，“低碳鋼”不僅頻次高，是研究的重點(diǎn)，且其中心性也最高，為0.65。突發(fā)性檢測(burst terms)可以觀察關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強(qiáng)度和生命周期，表明關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間長度，因此文章利用突發(fā)性檢測到在2005～2020年時期內(nèi)有38個突現(xiàn)詞。其中，“性能”突現(xiàn)強(qiáng)度最高，達(dá)到66.425 1，但是其生命周期為3a(2017～2020)年，這是2017年突現(xiàn)的關(guān)鍵詞，表明緩蝕劑研究逐漸重視通過旋轉(zhuǎn)掛片實(shí)驗(yàn)、開路電位Eocp隨時間的變化曲線、電化學(xué)阻抗譜、線性極化、Tafel極化曲線等實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行緩蝕劑性能的研究?！包c(diǎn)蝕”、 “效率”、“鋁合金”、“表面活性劑”的生命周期最長，達(dá)到了9a(2005～2014年)，全面體現(xiàn)了腐蝕的類型、金屬材質(zhì)、新的緩蝕劑材料表面活性劑等幾個研究方面。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對檢索到的有關(guān)緩蝕劑領(lǐng)域的10 349篇文獻(xiàn)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過對合作網(wǎng)絡(luò)圖譜分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)文量較多的國家和機(jī)構(gòu)主要集中在發(fā)展中國家；同時發(fā)文量較高的國家和機(jī)構(gòu)其中心性并不高，表明發(fā)文量并不能代表某個國家和機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研究深度與其他國家和機(jī)構(gòu)的合作密度以及國際影響力，但是發(fā)文量較高的國家所包含的機(jī)構(gòu)發(fā)文量也較高；發(fā)文量前十的機(jī)構(gòu)主要集中在中國、沙特阿拉伯、埃及國家，其中中國占3個，沙特占2個，埃及占2個。

(2)通過引文共被引分析，發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)研究的緩蝕劑集中在含有N、S、O等雜原子和π電子對的有機(jī)緩蝕劑和合成緩蝕劑，且被應(yīng)用到酸性介質(zhì)中；另外未來的研究將集中在新穎、綠色的緩蝕劑研究，如果皮、植物提取物等；提出了微觀角度分析緩蝕劑機(jī)理的方法：量子化學(xué)法；對于合成緩蝕劑的表征更加全面，包括掃描電鏡分析、傅里葉變化紅外光譜法、熱重分析法、紫外可見光譜分析等；除了研究緩蝕劑作用的動力學(xué)參數(shù)，還研究熱力學(xué)參數(shù)，如：吉布斯自由能、吸附熱、熵等，擬合緩蝕劑吸附模型。

(3)通過對2005～2010、2011～2015、2016～2020三個時間段關(guān)鍵詞分析，發(fā)現(xiàn) “低碳鋼”、“吸附”、“鹽酸”一直是研究熱點(diǎn)。通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)知識圖譜分析，發(fā)現(xiàn)“低碳鋼” 和“硫酸”中心性較高，與其他的關(guān)鍵詞關(guān)系密切，是研究重點(diǎn)?！包c(diǎn)蝕”、 “效率”、“鋁合金”和“表面活性劑”在2005～2014年一直是研究重點(diǎn)，且被重視程度也較強(qiáng)。