基于CiteSpace的纤维素气凝胶研究热点及趋势的可视化分析

Visual Analysis of Research Hotspots and Trends of Cellulose Aerogel Based on CiteSpace

摘要

为掌握纤维素气凝胶领域的研究现状、热点及前沿，在中国知网（CNKI）期刊和核心数据库（Web of Science，WOS）分别收集了2010—2023年中文文献333篇、英文文献2 308篇。采用CiteSpace软件，从文献发文量、作者、机构、研究热点和趋势等方面进行文献计量和可视化分析。结果表明：国内外研究均呈现先慢后快趋势，2010—2015年为起步阶段，2016年后发文量猛增；国内、外文献作者和机构均有合作网络关系，但联系不够紧密，文献核心作者发文量分别占37.5%和25.6%，均未形成核心作者群，文献机构之间联系疏松，呈现多中心、分散式结构；国内研究热点集中在石墨烯、碳气凝胶、吸附性能、羧基化改性等方面，国外研究热点集中在纤维素纳米晶、吸油性、重金属、亚甲基蓝、隔热等方面，研究热点有部分重叠；微胶囊、交联、改性、有效去除、回收利用等方向是国内外研究的前沿。

Abstract

To grasp the research status, hotspots and frontiers in the field of cellulose aerogel, 333 Chinese articles and 2 308 English literatures were collected in CNKI journal and Web of Science (WOS) from 2010 to 2023. Using CiteSpace software, bibliometrics and visual analysis were carried out on the aspects of the number of literature publications, authors, institutions, research hotspots and trends. The results show that both domestic and foreign studies show a trend of slow first and then fast. 2010—2015 is the initial stage, and the number of published papers has soared after 2016. Both domestic and foreign authors and institutions have a cooperative network relationship, but the connection is not close enough. The number of papers issued by core authors accounts for 37.5% and 25.6% respectively, and neither of them has formed a core author group. The relationship between literature institutions is loose, showing a multi-center and decentralized structure. Domestic research focuses on graphene, carbon aerogel, adsorption properties, carboxylated modification, etc., while foreign research focuses on cellulose nanocrystals, oil absorption, heavy metals, methylene blue, heat insulation, etc. There are some overlapping research hotspots at home and abroad. Microencapsulation, crosslinking, modification, effective removal and recovery are the research frontiers at home and abroad.

Graphical abstract

关键词

纤维素气凝胶 / 研究热点 / 趋势 / CiteSpace / 文献可视化

Key words

Cellulose aerogel / Research hotspots / Trends / CiteSpace / Literature visualization

纤维素(cellulose)是由D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键构成的大分子多糖，在自然界中储量丰富，广泛存在于植物、某些海洋动物、藻类以及细菌分泌的生物膜中^[1-2]。纤维素及其衍生物因具有可再生和易降解等特点，被广泛应用于服装纺织、生物医学、能源及环境处理等领域^[3-4]。纤维素气凝胶是纤维素的重要利用形式，是继无机气凝胶和有机气凝胶后的第三代气凝胶，被称为生物有机气凝胶，因其具有密度低、比表面积大、易于表面化学改性和活性点位丰富等特点，成为近年来诸多领域的研究热点^[5-7]。

近14年来，国内外已发表大量纤维素气凝胶的研究论文，但各国研究背景存在差异，对纤维素气凝胶研究的侧重点有所差别。学者们对纤维素气凝胶的制备、改性、结构调控等方面进行广泛研究。然而，针对国内外对纤维素气凝胶的研究异同点，运用文献计量学进行系统分析的报道相对较少。CiteSpace是由陈超美教授运用Java语言研发的一款可视化软件，可以对特定领域文献进行计量分析，直观地展现该领域的研究热点和发展的新趋势^[8]。文章基于CiteSpace 6.3.R1，对国内外近14年来纤维素气凝胶的相关文献的研究现状、热点和发展趋势进行全面梳理和预测，旨在为行业内的相关研究提供参考。

1 数据来源及处理

1.1 数据来源

本文数据来源于CNKI(中文文献检索平台)和WOS(英文文献检索平台)，检索时间为2010年1月1日至2023年12月31日。在CNKI数据库中，以“主题”为检索条件，检索词为“纤维素气凝胶”，在WOS核心数据库中，以“topic”为检索条件，检索词为“cellulose aerogel”，选择语种为“English”，文件类型为“article”，经过筛选，移除不相关文献和重复文献，最终CNKI数据库筛选出文献333篇，WOS核心数据库筛选出文献2 308篇。

1.2 数据处理

在CNKI中检索的文献以“Refworks”格式导出，在WOS中检索的文献以“Plain text file”“Full record and cited references”格式导出，均以“download”命名为txt文件保存。将CNKI和WOS中检索的文献分别导入CiteSpace软件，选择Time Slicing为2010—2023，设定时间切片为1年，选择Pruning为“pathfinder、pruning the merged network”。其余选项参数设为默认值。Node Types选项中，分别选择“author、institution、country、keywords”进行可视化分析。

2 结果分析

2.1 年度发文量分析

图1为CNKI及WOS数据库纤维素气凝胶研究的发文量。从图1可以看出，国内外对于纤维素气凝胶的研究基本同步。2010—2023年，发文量整体呈上升趋势，2016年是明显的拐点。2010—2015年，发文量相对不高，国内、外年平均发文量分别仅为5篇和23篇，对纤维素气凝胶的研究处于起步阶段；2016—2023年，发文量陡增，国内、外年平均发文量分别达38篇和271篇，对纤维素气凝胶的研究进入蓬勃发展阶段，截至目前未出现下降趋势。据此推测，纤维素气凝胶的研究文献将持续增加^[9-11]。

2.2 发文作者分析

在Node Types选项中，勾选“author”，设定“Largest connected components to show”为30，得到如图2所示的CNKI和WOS数据库纤维素气凝胶研究的作者合作可视化图谱。图2中节点颜色代表发文时间，节点大小代表发文量和影响力的大小，节点间连线的粗细代表合作的密切程度^[11-13]。

从图2a可以看出，节点数N为292，节点连线数E为362，Density为0.008 5，即CNKI中的纤维素气凝胶研究作者共292位，作者间合作关系362个。根据普莱斯定律：

M=0.749(N_max)^1/2 (1)

式(1)中：M为核心作者发表论文的最小数量；N_max为发表论文最多的作者的发文数量，篇。

核心作者（>3篇）共20人，发表文献共计125篇，占文献总数的37.5%(低于50%)，未形成核心作者群。从图2b可以看出，节点数N为277，节点连线数E为362，Density为0.009 5，即WOS中的纤维素气凝胶研究作者共277位，作者间合作关系362个，根据普莱斯定律计算，核心作者（>3篇）共95人，发表文献共计591篇，占文献总数的25.6%(低于50%)，未形成核心作者群。

CiteSpace导出数据显示，国内外在纤维素气凝胶领域发文量5篇以上的作者分别为13人和48人。表1为国内外文献发文量前10位作者。从表1可以看出，最突出的国内、外作者分别为：刘志明团队，发文量20篇，首次发文时间为2013年；ZHANG Tao团队，发文量21篇，首次发文时间为2019年；LI Jian团队，发文量21篇，首次发文时间为2018年。除了几个核心团队外，其他作者分布相对散乱。因此，研究者应加强交流合作，形成学术共同体。

2.3 发文机构分析

在Node Types选项中，勾选“institution”，分别获得国内外发文机构合作网络图谱。图3为机构合作网络图谱。从图3a可以看出，CNKI中的纤维素气凝胶研究中，共有发文机构194所，机构间合作关系104条，各发文机构间联系不够紧密，发文量大于5篇的机构有9所。其中，东北林业大学材料科学与工程学院发文最多，共计32篇，首次发文时间为2013年。从图3b可以看出，WOS中的纤维素气凝胶研究中，共有发文机构294所，机构间合作关系250条，各发文机构间联系不够紧密，发文量大于5篇的机构有95所。其中，南京林业大学发文量最多，共计134篇，首次发文时间为2012年。此外，中国科学院是影响力最大的机构，中心性为0.53。

表2为国内外文献发文量前10所机构。从表2可以看出，国内对纤维素气凝胶的研究以高校为主(8所)，研究院所为辅(2所)，文献发文量排名前三的机构分别为东北林业大学、南京林业大学、大连理工大学，发文占比分别为9.61%、3.60%和2.10%；国外文献发文量排名前十的机构均来自中国，说明中国在纤维素气凝胶领域中贡献较大。

2.4 研究热点及趋势分析

2.4.1 关键词共现聚类分析

研究热点向来是某个领域学者们关注的焦点，而关键词是文献核心内容的高度概括和提炼，是文献主要内容的体现。对关键词进行分析可以得出该领域的研究热点。

在Node Types选项中，勾选“keyword”，统计出现频次最高的30个关键词，分别获得如图4所示的CNKI、WOS关键词共现图谱。从图4a可以看出，CNKI图谱中节点共262个，连线324条，去除纤维素、气凝胶、纤维素气凝胶等常规关键词，国内文献该领域高频关键词包括吸附、碳气凝胶、吸附性能、疏水改性和复合材料等。从图4b可以看出WOS图谱中节点共299个，连线440条，国外文献该领域高频关键词有性能、制备、去除、纳米颗粒、纳米纤维素等。

图5为CNKI关键词共现聚类图谱。从图5可以看出，共形成13个聚类标签，Q=0.849 1>0.3，S=0.968 0>0.5，聚类合理、高效。#0至#12聚类依次为气凝胶、纤维素、吸附、性能、碳气凝胶、吸附性能、石墨烯、羧基化改性、复合材料、超疏水、改性、功能化、冷冻干燥。

纤维素气凝胶作为第三代气凝胶，被称为生物有机气凝胶，近些年引起学者们的广泛关注。以储量丰富的纤维素为原料制备纤维素气凝胶具有得天独厚的优势。但纤维素内部和分子之间的氢键难以打破，使天然纤维素“难溶解、难加工”。目前，可以通过化学、机械或两者结合的方法来打破氢键，实现纤维素气凝胶的制备^[12-16]。纤维素每个葡萄糖单元上含有3个活性羟基，通过物理、化学等形式交联可以得到不同形态的纤维素基材料。纤维素气凝胶高度多孔，具有优异的吸附性能，通过接枝不同种类的官能团，能得到不同类型的吸附性能。刘群^[17]用碱性水体系溶解棉纤维和壳聚糖，以环氧氯丙烷为交联剂，通过冷冻干燥获得了纤维素/壳聚糖整体气凝胶，在pH值约为2的条件下得到多孔HKUST-1/纤维素/壳聚糖整体气凝胶，对亚甲基蓝的平衡吸附量达到506.8 mg/g。李瑞雪^[18]以微晶纤维素、壳聚糖为双网络单元，以甲基三甲氧基硅烷为改性剂，采用“冻融-浸渍”两步法制得超疏水纤维素/壳聚糖复合气凝胶，其吸油量高达9.3 g/g。徐诗琪等^[19]通过引入剥离膨润土，制备出疏水性能优异的纳米纤维素-壳聚糖/剥离膨润土气凝胶，对不同油品的吸附量可达18.48~40.20 g/g。

图6为WOS关键词共现聚类图谱。从图6可以看出，共形成14个有效聚类标签，Q=0.746 5>0.3，S=0.902 8>0.5，聚类结构显著且有说服力。#0至#6、#8至#14聚类依次为吸油性、纤维素气凝胶、碳、亚甲基蓝、重金属、纤维素纳米晶、隔热、纤维素纳米纤丝、复合气凝胶、氧化石墨烯、相变材料、二氧化硅气凝胶、微波吸附和电化学。其中#7与#1标签重复，合并为1个标签。

YI等^[20]将羧甲基纤维素(CMC)/聚乙烯醇(PVA)结合，经硬脂酸疏水改性及冷冻干燥，制得玉米秸秆皮基气凝胶，该气凝胶对正己烷的吸附量达到35 g/g。SU等^[21]采用氧化棉绒纤维作为骨架和增强材料，氧化微晶纤维素作为支撑，采用PVA交联制备复合气凝胶，其导热系数0.033 5 W/(m·K)，可用于隔热领域。LIU等^[22]采用共混法和原位合成法制备载药效高、缓释性能好的复合气凝胶，可作为药物载体，5-氟尿嘧啶载药量为181 mg/g。CC-HAP-Cu复合气凝胶的释药时间分别为34 h(pH值为1)和30 h(pH值为7.2)，具备良好的缓释性能和pH值响应性。

2.4.2 关键词演进分析

研究热点具有时效性，随着时间的推移而演进。将不同的聚类按照发展历程依次排列，选取关键词聚类#0至#9，得到如图7所示的CNKI、WOS关键词聚类时间线图谱。

从图7a可以看出，CNKI中，2011—2023年，聚类#0气凝胶不断涌现，先后有相变储能、机械处理、预处理、蔗渣浆、氧化、抑菌性能、山梨醇、氨基硅烷、化学交联、庆大霉素、可控释放、收缩率、功能材料、孔隙、复合膜、小分子糖、包装性能、凹凸棒、隔热、增强性能等。聚类#1纤维素、聚类#6石墨烯也具有同样的发展轨迹，热度不减。聚类#4碳气凝胶、聚类#5吸附性能、聚类#8复合材料相关的关键词从2013年开始出现。聚类#3性能相关的关键词从2014年开始出现。聚类#4在2013—2016年较为沉寂，2017年后开始活跃，先后出现电催化性、光降解、成本、可回收、碳点等关键词。聚类#5自出现一直活跃，疏水改性、隔热性能、吸附性能、微观机构、力学性能、疏水性能、孔径分布、多肽等关键词先后出现。聚类#8关键词数量相对较少且分散，热度偏低。聚类#3先后出现吸油、交联剂、水凝胶、溶剂体系、制备、二氧化碳、储能器件、膜材料等热门关键词。聚类#2吸附、聚类#7羧基化改性、聚类#9超疏水相关关键词从2016年开始出现。聚类#2关键词持续涌现，且联系紧密。聚类#7关键词持续更新，热度相对平稳。聚类#9关键词相对稀疏，2019年出现“油水分离”热点。

从图7b可以看出,WOS中，聚类#2碳、聚类#5纤维素纳米晶、聚类#8纤维素纳米纤丝、聚类#9复合气凝胶关键词从2020年开始出现。聚类#2纳米纤维、吸收热度在2010—2012年突出，2013年后热点分散。聚类#5热度持续较高，主要关键词有复合材料、天然纤维素、纤维素纳米原纤、机械性能、碳纳米管等。聚类#8热点集中在2014年，相关关键词为纤维素气凝胶、薄膜、石墨烯、性能，2015年后热点词汇较少。聚类#9在2010—2011年热点词汇聚集，在2012—2017未出现热点词汇，2018年后又开始出现微球、重金属、化学交联等关键词。聚类#0吸油性、聚类#4重金属相关的关键词从2011年开始出现，聚类#0热点不断，特别是2014—2015年出现井喷趋势，涌现出纳米纤维素气凝胶、碳气凝胶、吸油性等高热度关键词，且之后持续出现。聚类#4机械性能、水溶液、吸附剂、降解、水、四价铬离子、二价铜离子等热点词汇分布均匀，热度相对平稳。聚类#1纤维素气凝胶、聚类#3亚甲基蓝、聚类#6隔热相关关键词均从2014年前后开始出现，3个聚类中的关键词联系均较为密切，涌现速度快，热度持续性明显。聚类#1关键词包括能源、合成、纳米颗粒、纳米晶体、还原氧化石墨烯、纤维素气凝胶、绿色合成、电极等。聚类#3关键词包括离子液体、水溶液、酸、水凝胶、羟甲基纤维素、离子、藻酸盐、功能化、传递等。聚类#6关键词包括有机、表面、纳米管绝热、膜、油水分离、电磁屏蔽等。

2.4.3 发展趋势及前沿

研究前沿代表理论趋势的兴起和新主题的涌现，突现词指的是短时间内出现频次突增词汇，可以反映一个研究领域在特定时间段内的研究前沿和演进进程^[23-24]。图8和图9分别为CNKI和WOS关键词(突现强度排在前30名)突现图谱，图中各个关键词代表纤维素气凝胶领域不同时期的研究前沿。

从图8可以看出，国内纤维素气凝胶研究领域关键词突现强度总体不高，各突现词突现强度差异不大，突现词集中出现在2014—2021年。突现强度较大的有：疏水改性，突现时间为2015—2016年；离子液体，突现时间为2014—2017年；吸油，突现时间为2014—2015年；冷冻干燥，突现时间为2014—2018年；石墨烯，突现时间为2019—2020年。从突现时长来看，时间跨度达到3年及以上的有离子液体、冷冻干燥、功能化、球形、化学交联等。微胶囊、交联、改性首次突现时间均为2021年，并延续至2023年。今后一段时间，这些方向仍将会保持研究的前沿性。

从图9可以看出，国外研究关键词突现强度相对较高，且差异较大，突现词贯穿2011—2021年，分布相对均匀。突现强度较大的包括：有机气凝胶(organic aerogels)，突现时间为2014—2017年；柔性气凝胶(flexible aerogels)，突现时间为2014—2018年；纳纤化纤维素(nanofibrillated cellulose)，突现时间为2013—2018年；混合气凝胶(hybrid aerogels)，突现时间为2016—2019年；二氧化硅(silica)，突现时间为2013—2015年。从突现时长来看，时间跨度达到3年及以上的有纤维素气凝胶(aerocellulose)、微纤化纤维素(microfibrillated cellulose)、可穿透的(transparent)、薄膜(films)、天然纤维素(native cellulose)、简易合成(facile synthesis)、柔性气凝胶(flexible aerogels)、纳米纤维素气凝胶(nanocellulose aerogels)、复合材料(composites)、离子液体(ionic liquid)、有机气凝胶(organic aerogels)、混合气凝胶(hybrid aerogels)、石墨烯(graphene)、木材(wood)、有效去除(efficient removal)等，占比达到50%。有效去除、回收利用的首次突现时间分别为2020、2021年，且延续至2023年。今后一段时间，这些方向仍将会保持研究的前沿性。

3 结论

本文收集2010—2023年的CNKI和WOS两大数据库中纤维素气凝胶相关文献，基于CiteSpace软件，分析2010—2023年的国内外纤维素气凝胶发文量、研究作者与机构、研究热点及趋势，获得了有意义的结果。从发文量来看，国内外研究态势基本一致，均呈现先慢后快趋势，2010—2015年是起步阶段，2016年进入快速增长期，发文量猛增。国内外核心作者发文量占比均低于50%，未形成核心作者群，仅形成几个核心团队，整体分布相对散乱，学者间的交流有待加强。国外发文排名靠前的机构主要来自中国，国内外各发文机构间联系疏松，合作网络关系不强，主要呈现多中心、分散式机构模式。国内文献共形成13个关键词共现聚类标签，石墨烯、碳气凝胶、吸附性能、羧基化改性等关键词热点明显，热度持续时间长；国外文献共形成14个有效关键词共现聚类标签，纤维素纳米晶、吸油性、重金属、亚甲基蓝、隔热等关键词热度高，持续性强。结合关键词突现图谱，国内文献关键词突现强度总体不高，差异不大，国外文献关键词突现强度整体较高，差异较大。国内在纤维素气凝胶领域的研究前沿为微胶囊、交联、改性等，国外研究前沿为有效去除、回收利用等。概括而言，国内外在气凝胶领域的研究主要集中在气凝胶不同种类的制备、加工工艺的探索、性能挖掘及特殊领域的应用等。同时，对气凝胶的质量和各项机理的探索也逐渐深入，研究取得阶段性进步。

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基金资助

四川省科技计划项目(2023YFG0229)

四川省2024年大学生创新训练计划项目(S202411079087)