综述：催化水与废水处理中的全球研究演化：面向可持续和弹性技术的文献计量分析

《Catalysts》：Global Research Evolution in Catalytic Water and Wastewater Treatment: A Bibliometric Analysis Toward Sustainable and Resilient Technologies Motasem Y. D. Alazaiza, Aiman A. Bin Mokaizh, Mahmood Riyadh Atta, Akram Fadhl Al-Mahmodi, Dia Eddin Nassani, Masooma Al Lawati and Mohammed F. M. Abushammala

　　

研究人员对Scopus数据库中2010年至2025年间催化水与废水处理领域的全球研究趋势进行了全面的文献计量分析，结合定量映射与定性综合的方法，考察了新兴技术方向。研究人员采用PRISMA框架筛选文献数据，并利用VOSviewer（v1.6.20）和OriginPro（版本2023，OriginLab Corporation，美国北安普顿）分析出版增长、引文模式、国际合作网络及主题演化。共分析了1550篇出版物，包括1265篇研究论文和285篇综述。结果显示，2015年后研究产出显著增加，反映了全球对水可持续性和环境修复的关注日益增长。中国、美国和印度被确定为领先贡献者，并形成了强大的国际合作网络。关键词共现分析揭示了三个主导研究主题：光催化降解与半导体工程、Fenton及类Fenton高级氧化过程（AOPs），以及涉及碳基材料和金属有机框架（MOFs）的新兴混合催化系统。分析还表明，近期研究转向多功能混合催化剂，旨在提高复杂废水系统中的效率、稳定性和性能。这些发现突出了关键的科学进展，并提出了未来的研究重点，包括绿色催化剂合成、反应器与工艺放大、AI辅助催化剂设计以及生命周期可持续性评估，以支持从实验室研究向实际水处理应用的过渡。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**
水污染已成为最严重的环境问题之一，传统处理方法难以完全去除顽固污染物。催化降解技术，包括光催化、Fenton及类Fenton反应、催化氧化等，因其能将污染物分解为无害物质而受到广泛关注。过去十五年间，全球在金属氧化物、半导体材料、金属有机框架（MOFs）和纳米复合材料等催化剂开发方面取得显著进展，但领域整体演化趋势、领先国家和新兴方向尚不清晰。本研究旨在通过文献计量分析，填补这一知识空白。

**2. 方法论**

**2.1. 研究设计**
本研究采用文献计量设计，遵循PRISMA框架，对2010-2025年间催化降解水与废水处理的全球研究进行定量和定性评估，重点分析出版产出、引文模式、合作网络及主题演化。

**2.2. 数据来源与检索策略**
以Scopus数据库为数据源，制定综合检索策略，使用布尔运算符和通配符，最终检索式为：催化降解“OR”光催化降解“OR”高级氧化过程* “OR”催化氧化“AND”水处理“AND”废水处理“AND”水修复，限定出版年份2010-2025，文献类型为论文或综述，语言为英语，并排除非相关学科。

**2.3. 数据提取与筛选（PRISMA方法）**
遵循PRISMA四阶段模型（识别、筛选、合格性、纳入）。识别阶段从Scopus检索到1795条记录；筛选阶段去除45篇重复，并根据标题和摘要排除200篇不相关或非英语文献（180篇不相关，20篇非英语）；合格性阶段对剩余1550篇进行全文评估，确认其明确关注水或废水处理中的催化、光催化或高级氧化过程，所有1550篇均符合纳入标准；最终数据集包含1265篇研究论文和285篇综述。

**2.4. 数据处理与分析工具**
使用Microsoft Excel和OriginPro（版本2023）进行数据预处理，统一作者和机构名称，标准化关键词。利用VOSviewer（v1.6.20）构建文献计量网络（共著、关键词共现、引文关系），设置最低出现阈值（作者≥5篇，关键词≥10次）。计算描述性指标（年度出版增长、引文数、h指数）和关系指标（共著强度、共引频率、关键词共现密度）。

**2.5. 标准化、验证与可视化**
对作者姓名、机构 affiliations 和关键词进行标准化处理，定义最低出现阈值以过滤低影响力项。生成网络图和密度可视化图，并通过重复交叉检查进行验证。

**2.6. 伦理考量**
本研究仅使用Scopus数据库的二手数据，不涉及人类参与者，无需伦理批准。

**3. 结果与讨论**

**3.1. 催化降解研究科学产出的时间演化（2010-2025）**
2010-2014年出版量极低（6-16篇/年），为探索阶段；2015-2018年缓慢增长（16-44篇），表明实验方法趋于成熟；2019-2020年出现明显拐点（69→101篇），标志向更广泛采用的过渡；2020年后呈近乎指数增长（2021年149篇至2025年351篇），表明进入成熟创新驱动阶段，研究转向催化剂优化、机理阐明和实际废水基质。整体呈经典S曲线进入陡峭增长期。

**3.2. 前十位作者与共著网络**
高产作者高度集中，符合洛特卡定律。Zhao, Y.（31篇）和Wang, H.（28篇）最为多产，其次为Zhang Y., X.（21篇）和Liu, Y.（18篇）。VOSviewer共著网络显示稳定的长期合作群体，核心作者（Zhao, Y., Wang, H., Zhang J.）占据中心位置，连接多个研究团队。Raizada, P.和Singh, P.等作者虽产文略低，但表现出显著连通性。

**3.3. 领先国家/地区与国际合作网络**
国家层面，中国以125篇领先，印度57篇，美国45篇，西班牙44篇，澳大利亚39篇，马来西亚38篇，巴西36篇，加拿大35篇。中国的主导地位反映了其在环境修复技术和大型废水处理基础设施方面的战略投入。分布呈现核心-边缘结构，少数国家贡献大部分论文。

**3.4. 领先来源期刊与出版集中度**
研究产出集中在少数高影响力多学科期刊。《Chemical Engineering Journal》以95篇居首，《Journal of Environmental Chemical Engineering》83篇，《Separation and Purification Technology》55篇，《Journal of Hazardous Materials》49篇。此外，《Environmental Science and Pollution Research》、《Science of the Total Environment》、《Journal of Environmental Management》等期刊的参与，显示了催化降解研究与环境风险评估、可持续性和政策应用的融合。

**3.5. 关键词共现与主题演化**
关键词共现分析揭示三个主导聚类：红色聚类（光催化降解、TiO₂、半导体、可见光）；蓝色聚类（Fenton与高级氧化过程（AOPs），涉及羟基自由基、H₂O₂、光-Fenton、反应动力学）；绿色聚类（混合催化剂、金属纳米颗粒、生物炭、纳米复合材料、异质结），自2018年以来增长迅速。时间叠加可视化显示，2010-2025年间，关键词从TiO₂、紫外光、染料降解演变为可见光激活、纳米结构半导体、异质结设计，再到混合催化系统、MOF基纳米材料和可持续水修复。新兴关键词包括机器学习、碳中和、循环经济。

**3.6. 前十篇高引文献**
高引文献以关键综述和奠基性观点文章为主，引用次数约2400-3800次。最受引的是Nosaka和Nosaka（2017）关于光催化中活性氧物种（ROS）生成与检测的综述。第二类高引主题围绕硫酸根自由基高级氧化过程（SR-AOPs）和过硫酸盐/过一硫酸盐活化。纳米酶综述（Huang等，2019；Wu等，2019）同样表现突出。这些文献均发表在《Chemical Reviews》、《Environmental Science & Technology》等跨学科高影响力期刊。

**4. 研究热点与新兴趋势**

**4.1. 光催化降解系统**
光催化降解是基础研究主题，通过半导体介导光激活产生电子-空穴对，进而生成活性氧物种（ROS），包括羟基自由基（·OH）、超氧自由基（·O₂^-）和单线态氧（¹O₂）。早期研究以紫外驱动TiO₂染料降解为主，后期强调可见光响应材料。采用带隙工程、元素掺杂、缺陷调控和异质结构建等策略。主要限制为量子效率低和复杂废水性能下降。近期研究如Kane等（2022）构建S型g-C₃N₄/TiO₂异质结提升卡马西平降解；Liu等（2024）引入磁性Fe₃O₄实现四环素去除和催化剂回收；Bai等（2023）引入MXene（Ti₃C₂）作为电子媒介体。现代光催化研究转向结构工程化系统以最大化电荷分离和操作实用性。

**4.2. Fenton与高级氧化过程（AOPs）**
第二个主要主题涵盖Fenton及AOP基催化系统，依赖化学活化氧化剂生成高活性自由基。传统均相Fenton（Fe²⁺活化H₂O₂）已演变为非均相类Fenton过程，使用固体催化剂、过渡金属氧化物和碳负载活性位点。硫酸根自由基AOPs（过硫酸盐PS和过一硫酸盐PMS）因氧化电位高、pH范围宽、选择性好而受到重视。机理研究显示自由基（·OH、SO₄^·-）与非自由基路径（表面介导电子转移、单线态氧生成）共存。Su等（2023）证明非均相催化剂活化PS/PMS能高效产生硫酸根自由基；Zhang等（2025）指出机理歧义和氧化剂效率低下仍是瓶颈；Yin等（2025）证实固体催化剂能高效产生硫酸根自由基同时减少金属浸出。非均相AOPs为处理难降解污染物提供了稳健的化学路径。

**4.3. 混合催化系统与新兴多功能平台**
增长最快的研究主题是混合催化系统，整合光催化、AOPs和先进材料架构，包括光催化剂-Fenton复合材料、MOF衍生催化剂、生物炭/石墨烯负载活性相、异质结半导体和电光活性催化构型。关键优势在于协同机制（光诱导电荷分离与原位氧化剂活化、增强界面电子转移、改善污染物吸附）。碳基纳米材料和MOFs作为电子媒介体、结构支架和催化中心。文献计量显示这些混合系统对复杂污染物去除效率超过90%，并具有更好的抗失活和抗金属浸出性能。Wang等（2025）证明纳米酶基杂化物兼具酶样氧化还原活性和高化学稳定性；Shukla等（2025）展示碳基纳米酶杂化物可介导自由基和非自由基氧化路径；Ahmadi等（2025）将MOF衍生TiO₂/g-C₃N₄与多孔矿物载体结合实现近完全染料降解并增强传质。混合系统代表了最先进、最接近应用的研究前沿。

**5. 未来方向与研究展望**
未来方向包括：(1) 集成智能可持续混合系统，整合光催化、电催化和类Fenton氧化为统一系统，利用协同效应；(2) 绿色合成路线和循环化学原理，使用生物基材料、废弃物衍生载体和低温制造技术，如将农业残渣、工业副产物转化为碳质载体（生物炭、活性炭）；(3) 人工智能（AI）和数据驱动建模，通过计算化学、机器学习和过程模拟预测结构-活性关系、优化操作参数、加速催化剂发现；(4) 催化技术从小试到中试和满量程反应器的放大，关注真实废水基质中的长期稳定性、可重复使用性和过程集成，结合技术经济分析和生命周期评估；(5) 资源回收与能量耦合视角，在去除污染物同时回收营养物、金属和有机中间体，并与生物电化学系统、太阳能辅助反应器或膜技术集成，实现循环处理路径。

**6. 结论与政策启示**
文献计量分析显示，2010-2025年催化降解水与废水处理领域快速发展，年度出版量加速增长（尤其2015年后）。中国、美国和印度是主要贡献国。关键词图谱揭示三大研究前沿：光催化降解与半导体工程、高级氧化过程（尤其Fenton及类Fenton系统）、以及碳基材料/金属氧化物/MOF混合催化系统。政策启示方面，催化降解技术支持联合国可持续发展目标（SDGs）6（清洁水和卫生）和12（负责任的消费和生产）。政策制定者应将混合催化系统纳入国家废水处理战略，尤其针对制药、纺织和农化等污染密集型行业，通过激励、公私伙伴关系和国际知识交流支持试点部署。建立标准化性能指标、安全指南和生命周期评估要求至关重要。实现下一代催化废水技术的成功应用需要科学、工业与政策之间的协调合作，使实验室创新（尤其是混合催化系统）转化为可扩展、成本效益高且环境可持续的解决方案。