◆王 宏 魏山森 王苛宇 王賀誼 吳 鵬

國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)要在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，CCUS技術(shù)作為碳中和關(guān)鍵減排技術(shù)手段之一，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵手段。因此，針對(duì)CCUS技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注這一領(lǐng)域發(fā)展。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)于該技術(shù)的研究主要集中在CCUS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程及方向、CCUS技術(shù)全球發(fā)展對(duì)中國(guó)的啟示等幾個(gè)方面。米劍鋒、馬曉芳指出我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和目標(biāo)，并詳細(xì)論證了其在我國(guó)發(fā)展面對(duì)的各種挑戰(zhàn)[1]；姜睿梳理了國(guó)內(nèi)外CCUS項(xiàng)目現(xiàn)狀和有關(guān)政策，并對(duì)我國(guó)發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)給出了建議[2]；吳何來(lái)等人總結(jié)梳理近年來(lái)國(guó)外主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體CCUS相關(guān)政策的發(fā)展情況，進(jìn)而從國(guó)家、地方政府層面入手，系統(tǒng)整理我國(guó)CCUS的相關(guān)政策或規(guī)劃，結(jié)合試點(diǎn)示范項(xiàng)目的建設(shè)情況，分析發(fā)展中存在的不足并提出了建議[3]。

關(guān)于CCUS技術(shù)的文獻(xiàn)計(jì)量分析和專利技術(shù)分析，已經(jīng)有不少學(xué)者做了統(tǒng)計(jì)。申碩利用文獻(xiàn)計(jì)量方法對(duì)2000～2020年來(lái)自Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中全球范圍內(nèi)的CCUS相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理與分析[4]；肖涵彬等人利用CiteSpace軟件對(duì)德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)中全球范圍內(nèi)的CCUS技術(shù)專利進(jìn)行計(jì)量分析[5]；但是目前卻沒有學(xué)者基于Web of Science對(duì)我國(guó)CCUS領(lǐng)域的技術(shù)專利進(jìn)行計(jì)量分析。

基于此，本文通過整理并清洗德溫特全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)的CCUS技術(shù)專利，利用CiteSpace和VOSviewer對(duì)國(guó)內(nèi)近20余年在CCUS領(lǐng)域內(nèi)的專利技術(shù)進(jìn)行量化分析，梳理該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及其發(fā)展規(guī)律，可以為后續(xù)學(xué)者研究提供相對(duì)客觀和有價(jià)值的參考。

一、研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

（一）數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以Web of Science（以下簡(jiǎn)稱WOS）的德溫特專利數(shù)據(jù)庫(kù)（Derwent Innovations Index，以下簡(jiǎn)稱DII）作為數(shù)據(jù)來(lái)源。DII是由Thomson Derwent與Thomson ISI公司共同推出的專利信息數(shù)據(jù)庫(kù)，相較于其他國(guó)內(nèi)的專利數(shù)據(jù)庫(kù)，DII數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)有的分類系統(tǒng)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后可以導(dǎo)入其他軟件進(jìn)行深入的可視化共現(xiàn)分析，因此，本研究選擇DII作為數(shù)據(jù)來(lái)源。

為了保證其收集數(shù)據(jù)的完整性，本文在DII中分別以“碳捕集”，“碳利用”以及“碳封存”的技術(shù)領(lǐng)域作為檢索主題，分別進(jìn)行三次檢索。檢索式分別為：TS=(“carbon capture*”or“carbon dioxide capture*”or“CO2capture*”or“capture*carbon”or“capture*carbon dioxide”or“capture*CO2”)；TS=(“carbon utiliz*”or“carbon dioxide utiliz*”or“CO2utiliz*”or“utiliz*carbon”or“utiliz*carbon dioxide”or“utiliz*CO2”)；TS=(“carbon storag*”or“carbon dioxide storag*”or“CO2storag*”or“storag*carbon”or“storag*carbon dioxide”or“storag*CO2”or“carbon sequestra*”or“carbon dioxide sequestra*”or“CO2sequestra*”or“sequestra*carbon”or“sequestra*carbon dioxide”or“sequestra*CO2”)。檢索時(shí)間范圍無(wú)限制，檢索時(shí)間為2022年5月23日。對(duì)專利權(quán)屬在中國(guó)的專利進(jìn)行整理與分析，最終可得有關(guān)碳捕集技術(shù)專利438篇，碳利用專利285篇，碳儲(chǔ)存的專利570篇，總計(jì)1293篇。

（二）研究方法

將上文得到的1293條記錄導(dǎo)出，格式設(shè)置為純文本，記錄內(nèi)容選擇“全記錄”。通過Citespace對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)清洗，最終得到996篇有效文獻(xiàn)，之后利用CiteSpace對(duì)其996篇有效文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，并根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)知識(shí)體系進(jìn)行分析和研究。其轉(zhuǎn)換后主要字段格式前后對(duì)照見表1。

表1 文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換格式前后對(duì)照表

二、我國(guó)CCUS技術(shù)專利的數(shù)量與分布

（一）時(shí)間分布

本文通過CiteSpace對(duì)專利年發(fā)表量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到其時(shí)間分布結(jié)果如圖1所示。

圖1 專利年發(fā)表量統(tǒng)計(jì)

由圖1可知，中國(guó)CCUS專利技術(shù)的時(shí)間分布呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。在2003年我國(guó)出現(xiàn)了首個(gè)CCUS技術(shù)專利，在2003～2006年期間，CCUS技術(shù)專利數(shù)量未出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。直到2006年開始，該技術(shù)專利數(shù)量開始逐年遞增。特別在2016年，其專利數(shù)量增長(zhǎng)率達(dá)到最高，約為74%。這一增長(zhǎng)得益于我國(guó)開始大力推行新政策，例如在2016年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》。總體而言，我國(guó)CCUS專利技術(shù)的數(shù)量呈上升趨勢(shì)，隨著雙碳目標(biāo)的提出，未來(lái)我國(guó)在該領(lǐng)域的專利數(shù)量會(huì)不斷增加。

（二）空間分布

本文利用VOSviewer對(duì)其CCUS技術(shù)專利權(quán)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理出其擁有專利技術(shù)數(shù)量前十的專利權(quán)人，分別是東南大學(xué)、天津大學(xué)、華北電力大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、西南石油大學(xué)、北京科技大學(xué)（見表2）。根據(jù)表2可知，CCUS技術(shù)專利權(quán)人所在單位前十名均是我國(guó)知名高校，其中專利擁有量最多的是東南大學(xué)，其擁有的專利量為100項(xiàng)。本研究表明，以上分析與肖涵彬所得出的結(jié)論：CCUS技術(shù)專利在中國(guó)更多的是分布在高等教育機(jī)構(gòu)中完全吻合。

表2 我國(guó)專利擁有量前十的專利權(quán)人統(tǒng)計(jì)表

三、CCUS技術(shù)專利熱點(diǎn)分析

出現(xiàn)頻次越高的詞則代表著研究熱點(diǎn)，本文分別以德溫特分類代碼（DC）和德溫特手工代碼（MC）為中心節(jié)點(diǎn)繪制其共現(xiàn)圖譜，如圖2所示。

從圖2a可以看出，我國(guó)CCUS專利技術(shù)的德溫特分類代碼主要集中在兩塊，分別是E36（非金屬元素半金屬（Seu Teu Bu Si）及其化合物），J01（分離-包括蒸發(fā)、結(jié)晶、溶劑萃取、色譜、透析、滲透，包括干燥氣體和/或蒸汽，以及固體與氣體、液體和其他固體的分離。同位素分離過濾材料）。其德溫特代碼為E36的節(jié)點(diǎn)最大主要是因?yàn)檫M(jìn)行碳捕集，碳利用和碳封存都離不開相關(guān)化學(xué)物質(zhì)，例如：將有機(jī)胺溶解在水中制備二氧化碳吸附劑進(jìn)行碳捕集；基于碳捕獲能量回收和脫氮的污水處理系統(tǒng)等等。其德溫特代碼為J01的專利也主要為二氧化碳分離并捕集的技術(shù)，只不過其不僅包括利用化學(xué)元素捕集，還包括其它的一些捕集二氧化碳的方法。例如：將配體2-甲基咪唑和離子液體分散在甲醇溶液中，滴入六水合硝酸鋅中，引入離子液體，制備離子液體改性金屬有機(jī)骨架材料，用于捕獲二氧化碳；利用三室電滲析技術(shù)提純CO2等。表3為出現(xiàn)頻次前十的德溫特分類代碼，其包括利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬的技術(shù)（T01）以及利用除化學(xué)元素以外的方式進(jìn)行碳捕集，利用和儲(chǔ)存的方法（D16）。

從圖2b可以看出，除去E31-N05C（二氧化碳）之外，其他的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻次比較均勻。表4展示了其出現(xiàn)頻次前十的德溫特手工代碼。分析表3發(fā)現(xiàn)除了研究對(duì)象CO2的德溫特手工代碼之外，出現(xiàn)頻次最高的為J01-E02B（固體吸附劑處理廢氣的相關(guān)專利技術(shù)），出現(xiàn)頻次為62次。其次是E11-Q02C（其他類型的污水處理工藝或設(shè)備），出現(xiàn)頻次為53次。從其出現(xiàn)年份來(lái)看，我國(guó)對(duì)CCUS技術(shù)的關(guān)注及其專利技術(shù)的發(fā)明在2015年之前主要集中在對(duì)廢水污水的處理，在2015年之后才開始逐漸轉(zhuǎn)向?qū)U氣的處理，且其整體進(jìn)度比世界上其他國(guó)家晚了幾年。

圖2 中國(guó)CCUS專利技術(shù)分類代碼（a）和手工代碼（b）共現(xiàn)圖

表3 分類代碼出現(xiàn)頻次前十統(tǒng)計(jì)表

表4 手工代碼出現(xiàn)頻次前十統(tǒng)計(jì)表

四、我國(guó)CCUS技術(shù)專利的前沿技術(shù)分析

（一）爆發(fā)詞分析

爆發(fā)詞是指在一定時(shí)間段頻繁出現(xiàn)的關(guān)鍵詞，通過對(duì)關(guān)鍵詞的分析，可以了解研究熱點(diǎn)隨時(shí)間的演變，進(jìn)而分析近幾年研究趨勢(shì)。分別對(duì)我國(guó)CCUS專利技術(shù)的德溫特手工代碼進(jìn)行突顯性可視化分析（見圖3）。

通過對(duì)圖3的觀察發(fā)現(xiàn)，可以將其分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為2010～2013年，在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的爆發(fā)詞有E11-Q01A（化學(xué)凈化法），JO1-E（處理氣體或蒸汽）和E11-Q01B（物理凈化法），此時(shí)的熱點(diǎn)研究方向是碳捕集，專利熱點(diǎn)均為碳捕集技術(shù)，包括化學(xué)物質(zhì)碳捕集技術(shù)，物理碳捕集技術(shù)，和微生物碳捕集技術(shù)。

圖3 MC爆發(fā)詞統(tǒng)計(jì)

第二個(gè)階段為2014～2018年，在這一階段的專利技術(shù)爆發(fā)詞主要有：L03-H05（車輛相關(guān)技術(shù)），L03-A02B（非金屬導(dǎo)體-碳和石墨），J01-E02（廢氣處理），HO9-C（利用固體含碳材料生產(chǎn)爐煤氣、水煤氣和合成氣），D04-A01K2（氧化/曝氣與其他），Q73-T07（燃燒產(chǎn)物的處理和去除技術(shù)），此時(shí)的專利主要集中在實(shí)際利用中，例如將第一階段所研究的碳捕集技術(shù)應(yīng)用到汽車相關(guān)技術(shù)上，或者將其專利應(yīng)用到廢氣和燃燒產(chǎn)物的處理之中。

第三個(gè)階段為2018～2022年，在這一階段主要出現(xiàn)的爆發(fā)詞有：J01-E03（氣體分離），E11-W（環(huán)保發(fā)明（成分/應(yīng)用））和Q75-T09（制冷、液化），此時(shí)的研究方向比較多樣，除日常生活中的環(huán)保發(fā)明進(jìn)而減少碳排放，另外一種比較前沿的技術(shù)就是碳封存技術(shù)，將CO2分離并液化，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸和存儲(chǔ)。

（二）各領(lǐng)域技術(shù)專利的聚類分析

對(duì)碳捕集技術(shù)的438項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析，選擇其前8個(gè)聚類進(jìn)行顯示，最終可得聚類圖如圖4a，其圖譜模塊度值Q=0.7135，有不錯(cuò)的聚類效果。

對(duì)圖4a進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)最大的聚類為“#0 composite absorber（復(fù)合吸附劑）”表明目前我國(guó)的碳捕集技術(shù)領(lǐng)域中利用化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行CO2捕捉的技術(shù)專利數(shù)量較多。此外，還有利用吸附性顆粒進(jìn)行二氧化碳捕集的專利技術(shù)（#5 newcalclum-based absorbent particle（基于鈣元素的吸附粒子））。有不少專利在此理論基礎(chǔ)上發(fā)明了CO2捕集裝置。（#3 cartbon dioxide desorption device（二氧化碳脫附裝置））。

對(duì)碳利用技術(shù)的285項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析，選擇其前5個(gè)聚類進(jìn)行顯示，最終可得其聚類圖如圖4b。其圖譜模塊度值Q=0.7938，聚類效果良好。

通過其聚類分析圖4b可以看出，在我國(guó)碳利用主要有三個(gè)方面，分別是制備碳納米材料（#0 carbon nano material），利用CO2作為空氣肥料，培養(yǎng)微生物（#4 culturing many cells),利用CO2發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行酸性氣體處理。（#3 acid gas removal device）。

對(duì)碳存儲(chǔ)技術(shù)的570項(xiàng)專利進(jìn)行可視化分析，繪制德溫特手工代碼共現(xiàn)圖譜并進(jìn)行聚類分析，選擇其前8個(gè)聚類進(jìn)行顯示，最終可得其聚類圖如圖4c。

對(duì)圖4c進(jìn)行分析，我國(guó)碳存儲(chǔ)技術(shù)專利主要集中在碳存儲(chǔ)容器（#0 crystallization tank（結(jié)晶罐），#4 cartoon dioxide storage tank），碳運(yùn)輸管道上（#6connecting pipe）以及對(duì)于CO2形態(tài)的轉(zhuǎn)變（#2solid cartoon）。例如最大的聚類crystallization tank（結(jié)晶罐)，其主要用于存儲(chǔ)結(jié)晶液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化碳。

圖4 中國(guó)CCUS中碳捕集（a）、碳利用（b）和碳存儲(chǔ)（c）專利技術(shù)聚類圖

圖5、圖6和圖7分別展示碳捕集，碳利用和碳存儲(chǔ)專利技術(shù)各個(gè)聚類的時(shí)間線。最上方為其專利技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)。這三張圖能夠明顯的展示每個(gè)聚類的發(fā)展。

由圖5可知，最早出現(xiàn)的就是利用化學(xué)復(fù)合物進(jìn)行二氧化碳吸附和捕集，這一技術(shù)為二氧化碳吸附劑技術(shù)提供了理論支持，并且在該理論支撐下，發(fā)明了很多CO2分離裝置。而在2018年出現(xiàn)的利用元素吸附粒子進(jìn)行CO2捕捉的技術(shù)是目前比較新穎的專利技術(shù)，雖然其在近幾年不斷發(fā)展，但并沒有被廣泛參考和利用。

圖5 碳捕集專利技術(shù)聚類時(shí)間線圖

由圖6可知，發(fā)現(xiàn)對(duì)于CO2的利用最早開始2007年，此時(shí)主要通過利用碳化反應(yīng)制備一些化學(xué)物質(zhì)，以及酸性氣體脫除。直到2013年左右，CO2才逐漸被應(yīng)用到碳納米材料制作以及CO2作為空氣肥料培養(yǎng)微生物。從中可以看出，目前并沒有找到可以廣泛的利用CO2的專利技術(shù)。

圖6 碳利用專利技術(shù)聚類時(shí)間線圖

由圖7可知，其結(jié)晶罐的發(fā)明比較早，在2010年之前人們就開始研究存儲(chǔ)液態(tài)CO2以及結(jié)晶CO2存儲(chǔ)，并且找到比較好用的方法，直到2016年人們開始研究存儲(chǔ)超臨界CO2的方式，并且取得不錯(cuò)的效果，而對(duì)于CO2運(yùn)輸管道的研究也是在2016年開始。其分析結(jié)論與前文結(jié)論相符，直到2016年人們才開始重視CO2存儲(chǔ)與運(yùn)輸。

圖7 碳存儲(chǔ)專利技術(shù)聚類時(shí)間線圖

五、結(jié)論與未來(lái)展望

（一）結(jié)論

本文基于CiteSpace對(duì)DII數(shù)據(jù)庫(kù)中專利權(quán)人所屬在中國(guó)的CCUS技術(shù)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和可視化分析，最終得到以下結(jié)論：

①我國(guó)專利權(quán)人大多分布在高等院校，我國(guó)在CCUS領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)前十的機(jī)構(gòu)全部為高等院校。②我國(guó)CCUS專利技術(shù)起步相對(duì)較晚，其專利技術(shù)數(shù)量在2010年之后才開始穩(wěn)步增長(zhǎng)。③在碳捕集，碳利用和碳存儲(chǔ)三個(gè)領(lǐng)域中，我國(guó)的碳存儲(chǔ)專利技術(shù)數(shù)量最多也較為成熟，而碳利用領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)數(shù)量最少，而且其技術(shù)研究尚不成熟，未得到廣泛應(yīng)用。④在碳捕集領(lǐng)域中，利用鈣元素的吸附粒子進(jìn)行CO2捕捉為新興技術(shù)；在碳利用領(lǐng)域中，制備碳納米材料，用CO2作為空氣肥料培育和利用微生物是近幾年興起的技術(shù)。而在碳存儲(chǔ)領(lǐng)域，目前其主要研究的是超臨界CO2罐存儲(chǔ)技術(shù)以及管道運(yùn)輸技術(shù)。

（二）建議

CCUS技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略選擇?！笆晃濉彪A段以來(lái)，國(guó)家，地方發(fā)布了一系列政策，大力推動(dòng)了我國(guó)CCUS技術(shù)的整體布局，促進(jìn)了我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展[6]。然而，與美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展仍有很大差距?；诖耍鶕?jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：①加快構(gòu)建并完善法律法規(guī)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；②加快制定并發(fā)布CCUS財(cái)稅激勵(lì)補(bǔ)貼政策：例如美國(guó)發(fā)布的45Q稅收抵免政策；③大力推動(dòng)和鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作與交流，促進(jìn)我國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展。

（三）未來(lái)展望

由于受到一些客觀因素的影響，本文存在一定的局限性。首先，在進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析時(shí)為了保證研究對(duì)象收集的質(zhì)量和完整性，本文僅對(duì)Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中的德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)不夠全面。此外，盡管其數(shù)據(jù)來(lái)源比較客觀，但是由于個(gè)人對(duì)該領(lǐng)域的了解并沒有那么深入，所以對(duì)數(shù)據(jù)的解讀難免會(huì)有一些主觀傾向。

在我國(guó)提出CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)之后，國(guó)家對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和的任務(wù)越來(lái)越重視，而CCUS技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要手段，必將引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，在該領(lǐng)域的發(fā)文量及其專利技術(shù)極有可能會(huì)短時(shí)間內(nèi)快速增長(zhǎng)。在接下來(lái)的研究中，首先要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整合，并且及時(shí)把新產(chǎn)生的文獻(xiàn)納入研究對(duì)象，使研究對(duì)象數(shù)據(jù)更全面，更準(zhǔn)確。其次，作者本身也應(yīng)該閱讀更多文獻(xiàn)，加強(qiáng)與該領(lǐng)域?qū)W者溝通交流，讓自己對(duì)該領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)更加全面深刻，最大可能消除其對(duì)數(shù)據(jù)解讀的主觀性。