碳捕集研究進展探析

摘要：隨著全球氣候變化問題日益嚴重，碳捕集技術對于依賴于煤炭等化石能源的發展中國家來說，在降低溫室氣體排放及環境保護方面都具有重要意義。目前，國內外都在積極探索碳捕集技術，并取得了一定進展。然而，現有的關于碳捕集趨勢分析的研究卻相對較少，尤其缺乏全面、系統的定量統計分析。為填補這一空白，研究運用文獻計量學的方法，對2014-2023年間有關碳捕集的文獻進行了較全面的定量統計分析。通過分析這些文獻的關鍵詞和主要內容，得以洞察當前碳捕集領域的熱點技術和研究方向，并根據關鍵詞分析探究了當下的熱點碳捕集技術，進一步展望了其未來研究方向，為碳捕集研究提供了數據支持。

關鍵詞：文獻計量；可視化；國際合作；碳捕集與封存

隨著全球氣候變化問題愈演愈烈和環境問題的日益加劇，碳捕集技術作為一種重要的環境問題應對手段備受關注。近年來，國內外都在積極探索碳捕集技術，并在這一領域取得了一定進展。由于現有的關于碳捕集趨勢分析的研究相對較少，且缺乏全面、系統的定量統計分析，因此為填補這一空白，本文運用文獻計量學的方法，對2014-2023年間有關碳捕集的文獻進行了較全面的定量統計分析，可為碳捕集研究提供支撐的數據。

1 數據來源及研究方法

本文的數據源自美國科學信息研究所（ISI）的SCIE數據庫。在檢索過程中，以“carbon﹡-captur﹡”為主題進行了全面搜索，涵蓋了carbon capture、carbon capturing、carbon dioxide captured等多個關鍵詞，將2014-2023年間有關碳捕集的文獻數據下載至Excel、Bibliometrix、VOSviewer并運用網絡可視化分析、圖示等方法對文獻總量、期刊分布、地域分布及國際合作研究，以及對關鍵詞進行統計分析。首先，對收集到的數據做預處理，除去異常值、空值處理、數據轉換等；其次，進行信息提取與識別，通過自然語言處理技術IF-IDF、TextRank等或文本處理函數LEFT、RIGHT、MID、FIND、SEARCH等提取所需參數；再次，根據參數信息之間的共現關系，構建相應網絡或對參數信息進行分類與統計等數據分析；最后，將條形圖、熱力圖等分析結果可視化，以便更好地理解和展示。文獻的搜索與引用次數統計截止時間為2024年2月8日。此外，為方便統計分析，將地址位于英格蘭、蘇格蘭、北愛爾蘭及威爾士的文獻統一歸為英國（UK）文獻。

2 獻總量和期刊分布分析

2.1 文獻總量分析

在2014-2023年這段時間內，與主題“carbon﹡-captur﹡”相關的SCI文獻總數為11674篇，其中論文（Article）占了10115篇，占比達到87%；綜述（Review Article）1223篇，會議錄論文（Proceeding Paper）232篇；有關碳捕集的SCI文獻的年發表量迅速增長，從2014年的583篇到2023年的2462篇，增長了3.2倍。

2.2 期刊分布分析

2014-2023年，11674篇SCI文獻出版在1074中雜志上。其中，出版碳捕集相關文獻最多的10種期刊2014-2023年的出版量趨勢如圖1所示。10種期刊的出版量在10年間均呈增長趨勢，說明碳捕集相關研究的熱度正逐年增加。其中，INTERNATIONAL JOURNAL OF GREENHOUSE GAS CONTROL的出版量增長最快且一直位居第1。

此外，通過對11674篇SCI文獻中被引用次數最多的10種期刊的文獻被引次數、平均每篇文獻被引次數及雜志的H因子和G因子的分析，發現這些期刊上發表的與碳捕集相關的文獻占總數的31%，平均每篇文獻被引次數高達27.4次，如表1所示。其中，排在首位的INTERNATIONAL JOURNAL OF GREENHOUSE GAS CONTROL出版了863篇碳捕集相關文獻，占總數的7.4%。

3 地域分布及國際合作研究

由于文獻的地理分布由作者所屬機構的地址確定[1]，因而在定義文獻類型時，遵循2項原則，即①若作者所屬機構的地址來自同一個國家，則將其定義為獨立文獻（IP）；②若作者所屬機構的地址來自不同的國家，則將其定義為國際合作性文獻（CP）。在2014-2023年間，參與碳捕集相關研究的國家數量呈現出了明顯的增長趨勢，由2014年的45個增加到了2023年的73個。在文獻作者所屬機構的分布方面，發現在11674篇有通信作者所屬機構地址記錄的文獻中，68.4%屬于獨立文獻，而31.6%則屬于國際合作性文獻。值得注意的是，國際合作文獻占文獻總量的比例也呈現出了上升的趨勢，從2014年的26.9%增加到了2023年的33.0%。碳捕集研究文獻的國際合作關系地圖如圖2所示，可直觀了解全球在碳捕集領域的合作關系。

由圖2可知，美國、中國和英國在全球與各國的國際合作中最活躍。對在碳捕集領域具有重要地位的美國、中國和英國進行進一步研究，其碳捕集相關文獻產量及國際合作水平變化結果如圖3所示。

由圖3可以看出，在２個不同的時間段，即2014-2018年、2019-2023年，美國、英國和中國在碳捕集領域的SCI文獻總量在全球的占比分別為47.4%、47.1%。其中，在2014-2018年期間，美國的文獻產出最多，占全球總量的18%；2019-2023年，中國的文獻總量迅速增長，占到了全球總量的26%，超過了美國的13%；英國的文獻總量與美國、中國相比相對較少，其占比從上一個時間段的13%下降到了后一個時間段的8%。總的來說，美國和英國的文獻總量占比略有下降，但總體上保持穩定。而中國則顯示出強勁的上升勢頭，不僅在文獻總量上位居第1，其增長率也是最高的。

國際合作在碳捕集領域的研究中也扮演著越來越重要的角色。如圖3所示，國際合作性文獻占全球總量的比例從2014-2018年的28.8%增加到了2019-

2023年的36.9%。在這一過程中，中國的貢獻尤為突出，2個時間段內的國際合作性文獻量占比分別4.9%、7.4%，遠超英國和美國。這表明，中國在國際合作方面表現出了比英國和美國更為積極的態勢，其國際合作性文獻量位居第1，并且增長迅速。從文獻引用情況來看，美國在2014-2023年期間，每篇文獻平均被引用次數為34次，中國為22次，英國為35次。這反映了各國在碳捕集領域的研究質量和影響力存在一定的差異。

綜上，中國近年來在碳捕集領域的研究產出和國際合作方面都表現出了強勁的勢頭，成為該領域的重要力量，同時各國之間的研究質量和影響力也呈現出不同的特點。

4 關鍵詞分析

關鍵詞通常反映了文章的主題，進行關鍵詞分析可以幫助確定研究趨勢和熱點[2]。為直觀反映碳捕集領域文獻的關鍵詞，對其進行可視化分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）所屬球體直徑最大，表明其出現頻率最高。以此類推得知，碳捕集技術是應對氣候變化問題的關鍵、碳捕集（利用）與封存技術為碳捕集技術研究的主流等一系列表觀結論。

為對之進行定量分析，對其出現頻率做出統計。在碳捕集相關文獻中，出現頻率最高的30個關鍵詞如表2所示，體現碳捕集研究的關鍵詞碳捕集與封存（carbon capture and storage）和二氧化碳捕集（CO2 capture）加起來共有3227個，出現頻率居于前列。從總體排名看，碳捕集與封存、二氧化碳捕集在2014-2018年、2019-2023年均為排名第1、第2的關鍵詞，說明碳捕集與封存、二氧化碳捕集為當前碳捕集研究的持續焦點。氧燃料燃燒（oxy-fuel combustion）、鈣鏈（calcium looping）、能源（energy）和煤（coal）出現頻率的排名有降低趨勢；生命周期評價（life cycle assessment）、生物質能碳捕獲與封存（bio-energy with carbon capture and storage）、脫碳（decarbonization）、碳中和（carbon neutrality）、可持續（sustainability）和負排放（negative emissions）的排名都有上升趨勢；化學鏈燃燒（chemical looping combustion）、生物量（biomass）、微藻類（microalgae）、礦物碳酸化（mineral carbonation）和金屬有機骨架（metal-organic frameworks）的出現頻率都有上升趨勢。作為碳捕集研究的評估方法，技術經濟分析（techno-economic analysis）以及最佳化（optimization）的出現頻率較高且均有增加。

5 研究熱點及未來研究方向

由上述關鍵詞分析得出，生物質能碳捕獲與封存技術（BECCS）、化學鏈燃燒技術（chemical looping combustion，CLC）、礦物碳酸化技術、金屬有機骨架（metal-organic frameworks，MOFs）等已然“代替”鈣鏈、氧燃料燃燒等技術成為當前碳捕集、碳捕集（利用）與封存技術的研究熱點，并日益受到全球范圍的廣泛關注。究其原因，一方面，與BECCS能夠兼顧生產能源與通過生物質光合作用吸收大氣中的CO2后進行碳的封存分不開，如此不僅達到CO2“凈零排放”，還實現了CO2的“負排放”；另一方面，生物質能的本質是太陽能以化學能形式貯存在生物質中，其媒介為生物質，包括所有的動植物和微生物。生物質能作為全球第4大能源，僅次于煤炭、石油和天然氣，且其儲量優于化石能源，具有可再生、污染低、用途廣等優點，與鈣鏈技術及氧燃料燃燒技術的高能耗相較明顯具有更大競爭力。

與氧燃料燃燒技術及各種燃燒后碳捕集技術均依賴于增加額外分離裝置，能耗與成本顯著提高且大規模實際應用困難[3]，CLC不需要分離設備就能在燃燒過程中的實現原位碳捕集，燃燒效率高，可達到CO2內分離，從而降低了碳捕集技術的成本與能耗，其獨特的反應解耦特性，有望應用于熱能、燃料、化學品和電力生產。與氧燃料燃燒技術中制氧技術的高投資和能耗不同，相關研究表明，礦物碳酸化路線是最有希望以低成本實現大規模利用的碳捕集與封存路線之一[4]，可獲得穩定的CO2的永久儲存物，其中使用工業固體廢棄物來吸收CO2的間接路線具備廣闊的工業應用前景，主要因其原料來源十分豐富，這意味著不必擔心原料供應問題，同時這種路線的反應活性很高，能高效吸收CO2。此外，原料的預處理過程所消耗的能量較低，進一步降低了成本，使得礦物碳酸化碳捕集與封存技術更加經濟實用。因此，有理由相信，這種利用工業固體廢棄物吸收CO2的間接路線將在未來的工業碳捕集中發揮越來越重要的作用。

鈣鏈技術由于吸附劑易失活，亟需開發高性能的吸附劑。金屬有機骨架（MOFs）由于具有孔隙率高、比表面積大、密度低、吸附容量大和孔道可調節、表面可修飾等特點，使其吸附分離性能極高，有望成為傳統吸附劑的替代者，在吸附分離領域作為一種新型高效吸附劑被廣泛應用。

優化木基材料加工及改性工藝、煤-生物質流化床高效富氧混燃與CO2封存耦合、生物質熱解/氣化高效催化轉化與CO2捕集封存耦合、耦合催化體系下CO2與生物質協同高效轉化利用、土壤生物炭埋存與碳增匯將是BECCS技術優先發展的路徑[5]。CLC技術未來研究可聚焦定向篩選廉價鈣基天然礦石/工業固廢等材料作為載氧體，以及重構載氧體的形貌構造和晶體結構，強化再生性能。

礦物碳酸化的工藝路線有直接路線和間接路線[6-8]。其中，直接路線需要開采大量礦石，不僅會導致礦石預處理過程能耗高，還容易引發一系列難以解決的環境問題；間接路線雖避免了大量礦石開采，但會造成物料無效循環，進而增加整個過程的能耗。為改進礦物碳酸化3種工藝路線的不足，未來的研究應重點關注3個方面，即一是設計更加合理、高效的礦物碳酸化工藝路線，以減少能耗和環境污染；二是探索直接處理含CO2廢氣的技術，降低工業應用成本，同時尋找能提高轉化率的催化劑，以提高生產效率；三是關注副產品的回收和利用，實現資源的最大化利用。

此外，MOFs因其配體和金屬的多樣選擇性，在結構調節上具有極大的優勢，使得MOFs在吸附分離領域有著更廣闊的應用前景和完善空間。通過進一步研究和優化MOFs的結構和性能，有望為礦物碳酸化工藝提供新的解決方案。

6 結論

關于文獻總量，過去10年各國家在碳捕集研究領域的文獻產量呈現出穩定且快速增長的趨勢，2023年的文獻產量約為2014年的4.2倍。

關于期刊分布，11674篇 SCI文獻被1074種期刊刊發。31%的文獻發表在Climatic Change等10種期刊上，平均被引次數達27.4。

關于國際合作，研究發現進行碳捕集研究的國家分布正在逐步擴大，國際合作文獻所占的比例也呈現出增加的趨勢。這一趨勢表明，越來越多的國家和地區開始關注并參與到碳捕集研究中來，國際合作在推動該領域發展方面發揮著越來越重要的作用。美國、中國與英國在國際合作中的作用舉足輕重。美國與英國碳捕集文獻總量占全世界的比例稍有下降但基本穩定，中國文獻比例的增長率最高且穩居第1位，表明中國近年來對碳捕集研究工作重視程度更為顯著。美國文獻的引用次數領先于中國和英國。

關于熱點領域，碳捕集與封存已為碳捕集研究的第一關鍵詞且為重要的研究方向。21世紀20年代以來該研究的技術熱點有從鈣鏈、氧燃料燃燒轉向生物質能碳捕獲與封存、化學鏈燃燒、礦物碳酸化、MOFs的趨勢。

參考文獻

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作者簡介

楊宛豫（2003—），女，漢族，河南南陽人，大學本科在讀，研究方向為環境工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-12