第一作者：杨雪
通讯作者：李俊峰、王圃、马杰
通讯单位：石河子大学、喀什大学、同济大学
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118450
成果简介
石河子大学的李俊峰老师、王圃老师、同济大学和喀什大学的马杰老师在Desalination期刊发表了题为“Bibliometrics and systematic reviews: Recent development and prospects of electrode materials for capacitive deionization”的论文。本综述通过对2010年至2024年间发表的相关论文进行科学计量分析，并利用协作网络、参考文献共被引网络及关键词共现网络等方法，研究结果显示该领域研究产出呈指数级增长。法拉第电极材料，尤其是MXene，成为当前研究热点并有望在未来占据主导地位；同时，高性能碳基材料仍然备受关注。电极材料的持续迭代与创新，将进一步推动CDI在实际应用中的落地与发展。
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电容去离子（CDI）被视为一种创新且环保的海水淡化技术，电极材料的发展在CDI的历史中起着至关重要的作用。通过对2010年至2024年间发表的CDI电极材料相关论文进行科学计量分析，并结合协作网络、参考文献共被引网络及关键词共现网络等手段，本研究探讨了电极材料的发展轨迹。结果显示，该领域的研究产出呈指数级增长。值得注意的是，法拉第电极材料（特别是MXenes）已成为当前研究热点，并有望主导未来的CDI电极材料研究；此外，具有高性能的碳基材料也持续吸引了广泛关注。预计随着电极材料的不断进步，CDI的实际应用将更加可行。
引言
淡水短缺已成为全球性的重大挑战，需要在节约和保护现有淡水资源的同时，通过开发非淡水来源来获取新的淡水。现有的淡化技术包括吸附、化学沉淀、膜过滤、离子交换等。电容去离子（CDI）作为一种新兴技术，凭借低能耗、无二次污染和操作简便的特点，已在海水淡化、废水处理以及饮用水净化等领域展现出良好效果。CDI的常见结构包括静态电极CDI与流动电极CDI，不同结构适合不同应用场景；其中传统CDI则主要通过在电极间施加直流电压或电流，并利用电极材料的高比表面积与良好导电性，在静电场作用下实现离子的有效去除。
为提高离子选择性、延长电极寿命并提升能量效率及成本效益，开发优异的CDI电极材料至关重要。CDI电极的脱盐机制主要分为双电层（EDL）电容和赝电容两种。基于EDL机制的电极材料主要为碳基材料，其成本低廉但吸附容量有限；而基于法拉第反应的赝电容材料，例如MXenes、MOFs和LDHs等，虽然具有选择性吸附特性，但也存在导电性差、体积膨胀等缺点。
电极材料对CDI的发展至关重要，其选择和设计直接影响CDI器件的电容、离子吸附容量和电化学性能。高效的电极材料能够以较低的能耗实现高离子去除率，从而提高系统整体的能量效率；高质量的电极材料则拥有更长的使用寿命和化学稳定性。理想的CDI电极材料需具备丰富的活性位点、优异的亲水性、合适的孔结构以及良好的电化学稳定性，其性能通常通过电化学效率、盐吸附容量和比电容等指标进行评估。近年来，提升CDI电极材料的脱盐性能已成为重要的研究方向。
CDI领域的研究文献数量和引用次数自2000年以来呈指数级增长，尤其在2012年后，相关研究的发表量显著增加，表明该领域日益受到学术界的关注（图1）。文献计量学作为一种定量分析方法，可用于揭示特定领域的发展趋势。通过对参考文献共被引网络、关键词共现网络等进行文献计量分析，可以清晰地了解CDI电极材料的研究热点和前沿领域，为未来的研究方向提供指导。虽然已有学者从不同角度综述了CDI电极材料，但运用文献计量学分析该领域研究热点和发展趋势的却较为少见。
Fig. 1. The papers' published number and their citations per year in the CDI field (a) and CDI electrode materials (b) (Search terms: Topic, document type: Article, (a) Keywords: “capacitive deionization", “electrosorption” and “electrochemical desalination", (b) Keywords: “capacitive deionization", “electrode material” and “electrode materials”).
本研究利用科学计量学可视化技术，对CDI电极材料相关文献进行了系统综述。借助CiteSpace工具，分析了Web of Science上发表的相关论文，旨在：（1）对现有文献进行分类，明确研究方向和主要内容；（2）绘制过去15年的关键知识群及其演变图谱；（3）探索CDI材料领域的交叉学科特征；（4）识别研究热点并预测未来发展趋势。本研究将帮助研究人员全面了解CDI电极材料领域，并为未来的研究方向提供重要参考。
图文导读
对CDI电极材料的关键词聚类分析显示，目前研究主要集中在材料开发，尤其是碳基材料，例如活性炭、碳纳米管和石墨烯等，因其易于制备、环境友好和成本效益高等优势而备受关注。此外，MXenes和MOFs等法拉第电极材料在过去十年中也得到应用。未来研究热点将集中在利用CDI处理饮用水中低浓度离子，以及开发过渡金属二硫化物、离子嵌入材料、有机框架材料和生物质衍生的法拉第电极材料等新型高效材料以增强离子电吸附容量。电极材料的关键改性方法包括热解、酸浸和氮掺杂等，碳基复合材料的研究也日益重要。总体而言，开发具有高吸附性能和选择性的材料是未来的发展趋势。
Fig. 2. Keyword cluster analysis (a) based on CDI electrode materials, timeline diagram (b) of keyword clusters.
图3所示的四种典型CDI电极材料中，MXenes和MOFs是近年来研究较多的法拉第材料，但MOFs的引用趋势有所下降，这可能与其导电性较差有关。尽管碳基材料的发展有所波动，但氧化石墨烯的引用量表明高性能碳基材料仍受研究者青睐。从各类材料的首次发表时间来看，早期以碳基材料为主，而法拉第电极材料是近年来的新兴方向。
Fig. 3. The development trend of publication volume on MXenes (a), MOFs (b), mesoporous carbon (c), and graphene oxide (d), Timeline (e) of the first papers on different CDI electrode materials [[91], [92], [93], [94], [95], [96], [97], [98], [99]]. (Search in Web of Science Core Collection, date: July 28, 2024).
2010年至2024年，CDI电极材料研究合作的国家和地区网络中，中国以819篇论文的发表量遥遥领先，是排名第二的美国（187篇）的四倍多；前十名还包括韩国、澳大利亚、中国台湾、沙特阿拉伯、德国、日本、印度和埃及。从中心性来看，沙特阿拉伯、韩国、埃及、日本和荷兰等国与其他国家的合作较为密切。就研究时间线而言，中国、美国、韩国和澳大利亚在2010年前后取得了显著进展，而日本、印度和埃及则相对较慢。
Fig. 4. Collaborative network analysis of countries or regions.
图5所示的合作作者网络及表格揭示了作者间的合作关系，其中徐兴涛（61篇）、潘丽坤（59篇）、陆婷（47篇）、刘勇（36篇）和马杰（32篇）是发表论文数量最多的五位作者，不仅表明了他们在该领域的突出贡献，也体现了他们与其他研究人员的广泛合作。论文爆发分析表明，CDI电极材料的研究预计在未来仍将持续占据主导地位。
Fig. 5. Co-authorship network analysis.
双图叠加图（图6）显示，CDI电极材料研究具有跨学科性质，主要发表在物理、材料和化学相关期刊，并主要引用这些领域的期刊。排名前五的期刊贡献了该领域约34.67%的文献，其中《Desalination》占比最高（12.08%），其次是《Separation and Purification Technology》和《Chemical Engineering Journal》。被引次数最多的五种期刊也集中在化学、物理和材料科学领域，与学科分析结果一致。
Fig. 6. Dual-map overlays of disciplines and journals about CDI research.
共被引分析揭示了CDI电极材料研究的前沿热点，包括新型电极材料的开发、电极材料的改性以及电极材料的吸附性能。研究对象已从早期的活性炭和多孔碳过渡到法拉第电极材料（如过渡金属氧化物、MOFs和MXenes），因为后者具有更优异的离子吸附能力。未来研究趋势倾向于纳米结构的法拉第材料，特别是MXenes，而氮掺杂改性以及CDI在污水、海水和饮用水净化中的应用也是重要的研究方向。
Fig. 7. (a) Co-citation analysis of references. (b) Cluster view of co-citation network on CDI electrode materials. (c) The timeline diagram of the co-citation references cluster.
通过对文献关键词的共现分析，可以深入了解CDI电极材料研究的热点和主题演变。关键词“电容去离子”出现频率最高，其他高频关键词包括“性能”、“脱盐”、“海水淡化”、“去除”、“活性炭”、“电极”、“能量”、“水”、“石墨烯”等。高中心性关键词如“水”、“制备”、“废水”等表明其在研究网络中扮演重要角色。研究热点主要集中在海水淡化、废水处理、苦咸水处理、电极材料的脱盐性能和脱盐机制等方面。
关键词爆发分析揭示了CDI电极材料研究热点的时间演变。早期研究关注碳气凝胶和气凝胶电极，随后转向氧化石墨烯、3D石墨烯和复合电极，以提高电化学性能。近年来，法拉第电极材料，特别是MXene，因其高储能容量、稳定性和可调特性成为研究热点。然而，MXene的商业化仍面临合成方法、稳定性、电化学性能和规模化生产等挑战。
Fig. 8. Keyword co-occurrence frequency analysis.
结论和展望
为了探索CDI电极材料的研究热点和未来发展趋势，本文基于CiteSpace文献分析，提供了CDI电极材料发展的可视化知识图谱。我们的研究对CDI电极材料相关的作者和国家合作网络、关键词聚类分析和共被引分析进行了分析。研究结果揭示了几个重要见解：1）从可视化结果来看，法拉第电极材料中的MXenes有望成为未来CDI电极材料研究的重点。2）对于碳基材料，未来的研究将集中在开发具有更高比表面积、优异导电性和更稳定结构的材料。3）在材料性能方面，CDI电极材料的研究主要集中在电吸附性能和电极稳定性。
基于研究结果，CDI电极材料的未来发展趋势如下：第一个方面涉及电极材料创新的研发前景。1）将碳基材料与法拉第电极材料（如金属氧化物/硫化物、MOFs和Mxenes）结合，有望产生具有优异电化学性能和离子选择性的混合电极材料。未来需要充分利用电容和法拉第过程的优势来优化电极材料。2）开发具有可调结构的新兴多孔晶体材料，如HOFs和COFs，由于其优异的孔隙率、高度有序的孔结构、可调的化学稳定性、可调的表面性质和可控的孔径，在电容去离子（CDI）电极材料的研究中具有很大的前景。第二个方面涉及结构优化方面电极材料的进步。人工智能（AI）为CDI电极材料的结构优化提供了新的机遇：人工智能的快速发展揭示了机器学习（ML）在材料开发中的巨大潜力。通过利用材料基因数据库和数字孪生等数据驱动方法，ML显著加快了CDI电极材料在结构优化方面的发展，并促进了该领域的技术及其应用。最后，加强对CDI中离子存储机制的理解至关重要。采用先进的原位表征技术，如原位光谱和原位电化学分析，为电极-电解质界面处的电荷存储过程提供数据支持。这将有助于电极材料的设计，提高离子去除效率，降低能耗，促进CDI的工业发展。
通过材料创新、结构优化和离子存储机制的突破，CDI技术将为水处理和资源回收提供更强的技术支持，在应对全球水资源短缺和环境污染挑战方面发挥越来越重要的作用。
本文由清华大学深圳国际研究生院高铭提供，仅用于科研交流，无任何商业用途。如有侵权，联系邮箱或添加编辑微信删除。
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