韓嵩琳，朱正如，姜俊超

（遼寧師范大學地理科學學院，遼寧大連 116029）

0 引 言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，嚴重的環(huán)境危機伴隨而來，與此同時，全球水資源匱乏，近年來水環(huán)境保護引起了大眾的高度重視.大部分工業(yè)廢水中污染物種類繁雜多樣，僅依靠傳統(tǒng)的污水處理辦法很難有效地去除水中的有機污染物，由于這些污染物對人類的健康危害大，因此，對有機污染物的有效降解成為了近20 a的研究熱點.光催化反應是利用太陽光的技術解決水環(huán)境問題，該技術具有成本低、無二次污染的特點[1-2].當前光催化技術已經成為廢水處理領域中的研究熱點.

知識圖譜是以圖的形式表現客觀世界中的實體（概念、人和事物）之間關系的知識庫[3]，其實際應用在發(fā)達國家已經逐步拓展并取得了較好的效果，而在我國仍處于起步研究階段.CiteSpace是由美國德雷塞爾大學Chen[4]開發(fā)的一款用于計量和分析科學文獻數據的信息可視化軟件，可用來繪制某個學科領域或知識域的知識圖譜，展現一個領域的知識特征，并識別研究熱點和前沿方向.大連理工大學WISELab實驗室的劉則淵曾用“四個一”對CiteSpace軟件系統(tǒng)進行了概括，“一圖展春秋，一覽無余；一圖勝萬言，一目了然”.知識圖譜研究起初用于圖書館情報學，后又被引入教育學、醫(yī)學、經濟學和社會科學等領域.俞顯和張文蘭[5]利用CiteSpace軟件對“混合學習”的研究現狀和發(fā)展趨勢進行了可視化分析，總結了混合學習的研究熱點，也對國際混合學習的研究提出了問題和挑戰(zhàn)；張明華和雷二慶[6]通過CiteSpace軟件分析了認知神經科學的前言熱點和演化脈絡，精準探測到學科演進過程中的重要變化，對于拓展認知神經科學研究具有重要指引作用.

國內關于光催化治理水污染研究領域的可視化分析較為少見，本文旨在利用可視化工具，以web of Science核心數據庫收錄的以photocatalytic degradation和water treatment為主題的數據為分析樣本，對光催化技術治理水污染領域進行可視化分析，含研究熱點、研究前沿以及發(fā)展趨勢.

1 資料與方法

1.1 數據來源

在web of Science數據庫中進行檢索，時間跨度為2000—2019年，數據采集的時間為2020年2月2日，采用photocatalytic degradation和 water treatment作為主題詞進行檢索，得到6 033個檢索結果，為保證分析結果的準確性，經過CiteSpace自帶的除重工具進行除重，得到5 040篇相關文獻，本文將以這5 040條記錄數據為數據源進行分析.

1.2 研究方法

采用文獻計量法，通過CiteSpace軟件對收錄在web of science數據庫的有關光催化技術治理水污染研究的文獻特征及其分布狀況進行可視化分析，詳細參數設置列于表1.分別統(tǒng)計以發(fā)文的國家、研究機構和作者的信息，分析文獻共被引、關鍵詞共現和突現詞時區(qū)等圖譜，以展示該學科領域的研究前沿、發(fā)展趨勢和知識關聯的情況.

表1 2000—2019年CiteSpace軟件主要參數設置

2 研究現狀分析

2.1 年度發(fā)文量

2000—2019 年文獻年度發(fā)表檢索結果隨發(fā)表時間分布狀況如圖1所示.論文發(fā)表數量隨時間變化先呈緩慢增加逐漸到快速增加的趨勢.分析可知，2010年以前，關于光催化技術治理水污染研究文獻年發(fā)表數量均不足200篇，但整體隨年份呈逐年上升趨勢，究其原因是自2010年后，國內外發(fā)生諸多重大水污染事件，引起了環(huán)保部門的高度重視.如：2010年4月，墨西哥灣發(fā)生的原油泄漏事故，致使墨西哥灣沿岸生態(tài)環(huán)境遭遇“滅頂之災”，專家指出，污染可能導致墨西哥灣沿岸濕地和海灘被毀，堪稱美國歷史上“最嚴重的一次”漏油事件[7]；2011年3月，日本福島核泄漏事故，大量放射性物質流入到水環(huán)境和排放到空氣中，再次將大眾對水環(huán)境保護的關注度推向了新高度.面對接連發(fā)生的重大水污染事件，我國生態(tài)環(huán)境部積極出臺相關政策，如2011年，國務院印發(fā)關于國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃的通知，著重強調了污水排放、污水處理及污水再利用等問題的處理方法.受重大國際事件影響和國家政策的支持，2010年以后水污染治理領域的研究數量增長迅速，同時光催化技術治理水污染領域的發(fā)文量也進入了快速增長期，從2010年的160篇增長到2019年的1 173篇.由趨勢變化可知，該領域的論文年發(fā)表數量從緩慢增長期到達了快速增長期階段，但還沒有到達平衡階段，即可發(fā)表論文數沒有達到飽和.因此，可以預測，在接下來幾年內，該領域將會有大量研究論文發(fā)表，即年發(fā)表論文數會繼續(xù)呈增加趨勢，直至平衡.

圖1 光催化技術治理水污染研究論文數逐年發(fā)表趨勢

2.2 發(fā)文國家分析

對發(fā)文國家進行可視化分析，有助于理解相關研究力量分布現狀，有關論文發(fā)表國家相關信息統(tǒng)計數據列于表2.可知光催化技術治理水污染研究力量來自多個國家，其中發(fā)文量前3位的國家分別為中國、印度和伊朗，發(fā)文量分別為2 152、510和366篇.中國和印度作為世界上人口數量超過10億的國家，對水資源需求量很大，而中印境內還有很多西方國家的代加工廠，這就導致了大量潛在環(huán)境污染問題，因此，在控制水污染研究方面，這2個國家做出了很大的貢獻.

表2 論文產出國家的相關信息統(tǒng)計

論文的突現性是反映發(fā)文量增長的指標，突現性數值高是指某一段時間連續(xù)研究的頻次較高，即該時間段內連續(xù)發(fā)文量較多.突現性數據較高的國家分別是法國和日本，分別為23.94和19.25，這2個國家的發(fā)文量不高，分別為173和110篇，說明其在近年來連續(xù)發(fā)文量較多.無突現性數據即為近年來在該領域的研究較為分散.中心度是指其所在網絡中通過某節(jié)點的任意最短路徑的條數，反映了該節(jié)點與其他節(jié)點關聯性的強弱.結合中心度數據可知，排名前3位國家分別為德國、法國和希臘，分別為0.69、0.27和0.22，說明這3個國家在該領域研究中與其他國家開展的合作較多.

2.3 發(fā)文研究機構分析

光催化技術治理水污染研究機構網絡圖譜如圖2所示.由排名前10位的研究機構信息可知，研究機構主體為大學或研究所，其中：中國科學院（Chinese Acad Sci）在該領域發(fā)文量最多，為257篇，這體現了中國科學院在光催化技術領域的地位；之后是江蘇大學（Jiangsu Univ）97篇，伊朗伊扎德大學（Islamic Azad Univ）94篇，湖南大學（Hunan Univ）75篇，清華大學（Tsinghua Univ）58篇，哈爾濱工業(yè)大學（Harbin Inst Technol）52篇 ，浙 江 大 學（Zhejiang Univ）50篇，大連理工大學（Dalian Univ Technol）46篇，福州大學（Fuzhou Univ）46篇，中國科學院大學（Univ Chinese Acad Sci）46篇 .這 10所研究機構論文的中心度為0～0.52，其中中國科學院的中心度最高，為0.52，說明與之合作的機構較多，未來也將形成一批以中國科學院為核心的研究機構合作團體.其他機構的中心度均＜0.10，說明他們與其他機構之間的合作仍有較大空間.

圖2 論文研究機構網絡圖譜

2.4 發(fā)文作者分析

利用CiteSpace軟件運行得到光催化技術在水污染治理領域研究作者合作網絡，網絡密度結果為0.004 4，說明對光催化技術治理水污染的研究作者較為分散，暫未形成密集的合作群體.論文的第一作者是該項科研成果的主要貢獻者，而通信作者是該項成果的責任者和受益人，核心作者則是共同作者.對核心作者劃分時，不能僅根據發(fā)文數量，而是依據普萊斯定律進行計算，公式為

式中M為核心作者發(fā)文數，Nmax為最高產作者發(fā)文量.

對核心作者進行計算，得出其應發(fā)文量≥5篇.本次統(tǒng)計結果顯示，發(fā)文量≥5篇的作者只有187人，占總數的24%，這表明核心研究隊伍還尚未形成.發(fā)文量前16名作者信息統(tǒng)計列于表3.湖南大學環(huán)境科學與工程學院的曾光明（Zeng G M）教授在光催化技術治理水污染領域發(fā)文量最多，為44篇.如他和吳威等[8]提出采用液相還原法制備氧化石墨烯負載納米零價鐵吸附劑，并用于吸附去除溶液中初始質量濃度為160 mg/L的亞甲基藍（MB），MB去除率達到89%，吸附量為 125.5 mg/g；他和Gong等[9]以自合成的磁性多壁碳納米管（MMWCNT）復合材料為吸附劑，可有效去除水溶液中的多種陽離子染料，為水污染治理吸附劑提供了更多的選擇空間；他和Piao等[10]提出一種氧化鐵納米材料作為納米溶膠和光催化劑處理廢水的環(huán)境凈化技術，說明曾光明教授在該領域的研究較為深刻.發(fā)文量次之的是來自伊朗的Habibi?Yangjeh，發(fā)文量為27篇.其代表作是2012年他與Ghasemi等[11]提出在室溫離子液體中制備的，在石墨烯納米薄片上的組裝氧化鈰?二氧化鈦（CeO2?TiO2）納米粒子，用于污染物的光催化降解，為新型納米光催化材料的制備作出了貢獻.

表3 核心作者發(fā)文量信息統(tǒng)計

3 研究熱點與研究前沿分析

3.1 文獻共被引分析

通過分析文獻共被引網絡圖譜，能更清楚地了解在該領域的高被引文獻/期刊，研究學者未來也應該著重關注這些影響力度較高的文獻/期刊.

高被引論文的統(tǒng)計參數包括文題、類型、被引頻次、發(fā)表年份和突現性，同時本文統(tǒng)計了論文所發(fā)表期刊的部分參數，包括刊名、影響因子（impact factor，IF）和被引半衰期（half?life）.其中被引半衰期是顯示一份期刊從當前年度向前推算引用數占截止當前年度被引用期刊的總引用數50%的年數，是測度期刊老化速度的一種指標.該參數通常不是針對個別文獻或某一組文獻，而是指某一學科或專業(yè)領域的文獻總和.半衰期數值越高，說明該期刊過去發(fā)表的論文常被引用，相反數值越低，則說明該期刊近期發(fā)表的論文常被引用.排名前10名的高被引論文相關詳細信息列于表4.截至統(tǒng)計時間，被引頻次最高論文的文題是Recent developments in photocatalytic water treatment technology：a review，該文章綜述了近年來工程光催化劑和光反應器系統(tǒng)的研究進展，首次描述了如何利用多變量優(yōu)化方法來確定最佳操作參數，以提高工藝性能和光氧化效率，并討論了光催化技術作為垃圾處理替代工藝的生命周期評價.這篇論文為該領域的學者提供了科學技術概述；Tong等[12]引用該論文概述了這一領域的研究成果，重點介紹了光催化材料所提供的科學技術可能性，提出半導體光催化作為一種解決全球能源短缺和環(huán)境惡化的潛在方法，得到了廣泛關注；Leary和 Westwood[13]引用該文章概述了納米碳?TiO2光催化劑的研究進展，對其增強機理、合成途徑及應用前景進行了總結和討論，并提出了新觀點.該領域高被引的10篇論文的突現性均＞10.00，且論文所在期刊的IF均＞5.000，說明這10篇論文在該領域有著引領性的地位.10篇高被引論文所發(fā)表的期刊中，期刊半衰期＞4的有7種，＜4的有3種；這3種期刊分別是Chemical Reviews、Advanced Materials和Environmental Science&technology，對應半衰期分別為 2、3和 3，3種期刊的 IF分別為54.301、25.809和7.149.可知與低半衰期對應期刊的IF較高，因此，建議在光催化技術領域和水環(huán)境污染近年的重要研究期刊，未來在該領域的研究應多借鑒上述3種期刊中的文獻為主要參考文獻.

表4 高被引論文及發(fā)表期刊相關信息

為了更好地了解本領域某一段時間內的研究熱點話題，利用CiteSpace軟件生成共被引文獻聚類的時間線圖譜（圖3），聚類模塊（Q）值為0.863 2，說明該聚類結構顯著.聚類數量代表研究方向的數量，顯示共生成25個聚類結果，即有25個研究方向或主題.排名第1位的是聚類#0降解（degradation）、TiO2，節(jié)點大小為36，即以這2個為研究主題的論文有36篇，且是25個主題中研究數量最多的，這說明利用TiO2降解污染物一直是光催化技術處理水污染領域的研究大方向.

圖3 共被引文獻聚類時間線圖譜

選擇統(tǒng)計數據中同質性較大的6個聚類進行分析，包括聚類編號、大小、輪廓值（silhouette）、平均年份（mean year）和標簽.其中聚類輪廓值是衡量聚類成員同質性指標，該指標數值越大，代表其聚類成員的相似性越高；平均年份是判斷聚類中引用文獻的時間遠近，年份距今近的論文為當前的前沿話題，相關詳細統(tǒng)計結果列于表5.同質性最高的為聚類#10，其輪廓值為0.98，平均年份為2014年，對應標簽包含氮化碳納米片（carbon ni?tride nanosheet）、可見光光活性（visible light photo?activity）、性能（performance）、釩酸鉍（BiVO4）和磷酸銀（Ag3PO4）；次之為聚類#11，平均年份同為2014年，聚類標簽包括降解（degradation）、分級制氫（grade hydrogen production）、類石墨相氮化碳（g?C3N4）、異質結（heterojunction）、復合材料（compos?ite）和能量儲存（energy storage）.結合聚類#10和#11可知，當前該領域的研究前沿主要為氮化碳納米材料、復合光催化劑、光催化劑活性和利用光催化技術制氫.

表5 部分共被引文獻聚類綜合信息表

3.2 關鍵詞共現分析

關鍵詞是研究內容的核心體現，高頻次出現的關鍵詞體現了該學科的研究熱點.繪制包含高頻次關鍵詞、發(fā)文時間、關聯度和年輪的關鍵詞共現網絡圖（圖4），其中年輪顏色表示發(fā)文時間，顏色的深淺對應發(fā)文時間的遠近；節(jié)點間連線代表關聯度，線條越深表明二者關聯度越大；年輪越大說明該關鍵詞的相關研究結果越多，反之則越少.前3名高頻次出現的關鍵詞是降解、水和TiO2，表明這些關鍵詞當前研究的成果最多.自1976年，Carey等[14]首先采用TiO2光催化降解聯苯和氯代聯苯以來，不同學者圍繞半導體光催化技術展開了廣泛的研究.TiO2半導體光催化氧化技術能廣泛地利用天然能源（太陽能），對多種有機物具有極其明顯的降解效果[15]，使之成為了一種新型的水處理技術，除此之外其還具有低能耗、低成本和無二次污染等優(yōu)點.因此，半導體光催化技術研究已成為環(huán)境保護領域中的研究熱點之一.

圖4 光催化技術治理水污染研究關鍵詞共現網絡圖譜

高頻次熱點關鍵詞的詳細信息列于表6，統(tǒng)計信息包括出現頻次、突現性、中心度和年份.突現性越高說明該關鍵詞在近幾年的使用頻率越高，綜合出現頻次和中心度均高的關鍵詞分別是TiO2、光催化活性（photocatalytic activity）和多相光催化（het?erogeneous photocatalysis），說明該領域研究的熱點主要集中在如何提高光催化劑的吸附性能，提升降解率[16]等.自2010年后出現的關鍵詞有3個，分別是 g?C3N4、納米晶體（nanocrystal）、石墨化碳氮化物（graphitic carbon nitride）和氧化石墨烯（graphene ox?ide）.其中g?C3N4是一種具有合適禁帶寬度（2.7 eV）的新型非金屬有機半導體光催化劑[17]，自2009年Wang等[18]研究證實 g?C3N4可在可見光下制氫后，該研究受到廣泛關注；2013年Bai等[19]通過改變不同溶劑比例和回流時間，制備了不同長徑比的g?C3N4納米棒，該方法為從層狀結構制備其他一維納米材料提供了更簡便的途徑.石墨烯是一種有單原子層的碳原子經過sp2雜化后，以六邊形排列形成的蜂窩狀二維碳制新材料，并且具有良好的導電性能和較大的比表面積[20-22]，由于其近乎無定形的性質，衍射方法的應用有限[23]，而氧化石墨烯的出現解決了上述問題，其與石墨烯的結構大體相同，只是在一層碳原子構成的二維空間無限延伸的基面上連接有大量含氧基團，平面上含有羥基（—OH）和醚基（C—O—C），而在其片層邊緣含有羰基（C=O）和羧基（—COOH）[24].與石墨烯相比，氧化石墨烯的性能更多，其不僅具有良好的潤濕性能和表面活性，而且能被小分子或聚合物插層后剝離，在改善材料的熱學、電學等方面發(fā)揮重要的作用[25].

表6 高頻次熱點關鍵詞信息統(tǒng)計

3.3 突現詞共線分析

突現詞（burst term）是指在短時間內出現頻次變化較大的詞匯[26]，也是正在興起或突然出現的理論或研究主題，代表該領域的發(fā)展趨勢.通過對研究前沿的探究，有助于掌握某一學科領域未來的研究方向.因此，對檢索結果進行突現詞分析，得到突現詞共現時區(qū)圖譜（圖5），可知近年來的突現詞為石墨化碳氮化物、異質結、納米片、制氫（hydrogen production）、納米復合材料（nanocomposite）和光催化活性等，這些突現詞是近年在該領域的科學研究中，需要重點關注的研究方向.

圖5 突現詞共現時區(qū)圖譜

近年關于CO2轉化利用技術也備受關注，即在半導體催化劑的作用下，利用太陽能把大氣中的CO2轉化為碳氫燃料，這是當前實現碳的循環(huán)利用和開發(fā)清潔能源的一項“夢幻工程”[27].盡管光催化還原CO2起步較早，迄今仍面臨諸多問題，如太陽能利用率低，光催化材料對CO2的吸附性差等[28]，但是隨著新型光催化劑的不斷開發(fā)，國家政策的不斷扶持，實現光催化還原CO2技術的普遍應用指日可待，這也將為穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大的貢獻.未來關于光催化技術轉化和利用CO2以及水體污染物將成為該領域的重點研究發(fā)展方向.

3.4 研究前沿和發(fā)展趨勢分析

通過了解一個學科領域的研究熱點，有助于把握整個學科領域研究動向，明確學科發(fā)展態(tài)勢，精煉研究方向.

2012年，Xu等[29]研究顯示石墨烯對雙酚 A具有良好的吸附能力，其是一種很有前途的水處理吸附劑.由于TiO2的禁帶寬度較大，只能吸收波長較短的紫外線，限制了TiO2的大規(guī)模使用，如何提高TiO2催化劑的利用率，把光催化技術推向工業(yè)化也是今后需要解決的問題之一[30-31].近期有研究顯示，TiO2等光催化劑與石墨烯復合能大大提高光催化性能，這需要更多的研究去證實.

2017年，蘇海英等[32]研究了 g?C3N4/TiO2復合材料對布洛芬（IBU）光催化降解的影響機制，表明g?C3N4與 TiO2按質量摻雜比例為 1∶9，得到的 g?C3N4/TiO2復合材料對IBU的光催化降解效果最佳；王磊等[33]采用溶劑熱法制備了三元復合光催化材料——TiO2?硫化鎘/還原氧化石墨烯（TiO2?CdS/rGO），該催化劑在光反應時間為40 min時，對MB和羅丹明B的降解率可達100%.

2018 年，羅金華和張樹立[34]利用噴霧干燥?煅燒法制備的TiO2/石墨烯復合材料，30 min內對甲基橙的降解率達到88%；王海丹等[35]等采用乙二醇溶劑熱法制備了鎢酸鉍（Bi2WO6）/TiO2納米復合材料，其在可見光和模擬太陽光下均表現出較強的光催化降解乙烯活性，在可見光下催化降解乙烯的速率常數可達 9.312×10-4/min，與 Bi2WO6和 TiO2相比，降解率分別提高了89%和884%.

2019 年，任建等[36]采用溶膠?凝膠法制備的rGO/TiO230 min內對MB的降解率可達96%.

綜上所述，自 2010 年以后，g?C3N4、石墨烯和TiO2復合材料等新型納米材料成為光催化治理水污染的研究熱點.

4 結 論

本文以光催化技術治理水污染為研究對象，以web of science核心數據庫中2000—2019年光催化技術治理水污染相關的文獻作為研究樣本，運用CiteSpace軟件對發(fā)文的國家、研究機構、作者、共被引文獻和關鍵詞共現等生成知識圖譜，并進行了可視化分析，解釋了該領域學習研究的總體概況，得出以下結論：

（1）隨著全球水環(huán)境的惡化，水污染治理越來越受到研究機構和研究學者的重視.國際上關于光催化劑治理水污染的研究，2010年以前呈小幅上升趨勢，2010年以后，由于國際上重大水污染事件接連發(fā)生，保護水環(huán)境刻不容緩，因此，在2010年后迎來本領域的發(fā)展高潮期.

（2）CiteSpace軟件清晰地展示了在光催化技術治理水污染研究領域中，主體的研究機構分布，其研究力量來自多個國家的機構，已形成幾個較為系統(tǒng)的研究團體，主要由大學和研究所組成；就發(fā)文量而言，中國居于榜首，尤其是中國科學院在該領域起著極為重要的作用.我國正處于生態(tài)文明建設的關鍵時期，“綠水青山就是金山銀山”這一生態(tài)環(huán)境即為生產力的理論，在科學研究的實踐中得到了充分印證.另外，法國和日本的發(fā)文突現性說明，這2個國家在該領域的研究雖然起步較晚，但增長速度較快，為該領域的發(fā)展做出了一定貢獻.

（3）通過共被引文獻、關鍵詞和突現詞共現分析可知，TiO2及其復合光催化劑一直是該領域研究的重點內容；g?C3N4因其帶隙較窄，又有較為穩(wěn)定的物理化學性質，成為近10 a來應用較為廣泛的光催化劑；石墨烯優(yōu)異的電子傳輸性能和獨特的二維結構，使其在光催化分解水制取氫氣，具有廣闊的發(fā)展前景.綜合突現詞共現分析可知，該領域未來的發(fā)展趨勢為以下2個方向：第一，利用光催化技術分解水制氫，使太陽能轉化為氫能以取代化石燃料，為解決資源枯竭和環(huán)境污染等問題提供出路；第二，通過制備或改性新型復合型光催化劑，提高催化活性以提升對污染物的降解效率，從而加速解決國內國際的水環(huán)境污染問題.

5 結束語

本文通過對光催化技術治理水污染相關文獻的可視化分析，顯示當今的光催化技術治理水污染領域的發(fā)展除了以上特點外，還存在一些不足之處，如大部分研究主要集中在新型光催化劑的制備及表征，與實際應用結合度不夠，即實際應用的研究相對較少；分析的文獻中，并未出現利用光催化技術大規(guī)模治理水污染，或某區(qū)域水污染通過光催化技術得到良好控制等相關內容，在今后的研究中，應嘗試把光催化技術治理水污染的研究同社會實際應用結合起來.