综述：石墨烯基材料在环境修复中的全球研究格局与主题演变：一项文献计量分析

《Next Materials》：Global research landscape and thematic evolution of graphene-based materials in environmental remediation: A bibliometric analysis

　　

石墨烯及其衍生物，包括氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯，因具有高比表面积、可调表面化学性质、吸附能力和多功能性，已成为环境修复领域极具前景的材料。尽管面临大规模生产和经济可行性方面的挑战，它们在污染物去除和环境处理中的应用仍在不断扩大。本研究对石墨烯基材料用于环境修复的全球研究格局进行了全面的文献计量评估。使用预定义的检索标准从Scopus数据库中检索书目记录，并根据系统评价和荟萃分析的首选报告项目（PRISMA）报告原则构建数据集选择流程，以增强透明度和可重复性。经过出版周期、文献类型、语言和来源类型的顺序细化后，使用VOSviewer分析了2015年至2026年1月的2662篇Scopus索引出版物。该分析考察了时间出版和引文趋势、地理研究生产力和影响力、合著模式、关键词共现网络以及书目耦合。年出版量从2015年的61篇增加到2025年的417篇，同时引文活动也大幅增长，表明该领域的科学可见度不断提高。中国在研究生产力方面占据主导地位，占总出版量的62%，并表现出最高的总链接强度（TLS，438），反映了广泛的国际合作。出版和引文分布的比较进一步揭示了主要国家在研究生产力与学术影响力之间的差异。主题格局表明，研究正从以吸附为中心的研究逐步向包含光催化、膜分离、环境传感、选择性污染物去除和综合处理策略的多功能修复系统过渡。研究结果为该领域的时间演变、智力结构、地理影响、合作网络和新兴研究方向提供了定量视角，同时突出了开发可扩展和可持续的石墨烯基环境技术的机遇。

1. 引言
加速工业化、人口快速增长和不断扩张的城市化进程显著增加了有害环境污染物的排放，包括重金属、合成染料、药物和持久性有机污染物。这些有毒物质在水生和大气系统中的积累对生态系统稳定性、水安全和公共健康构成严重威胁。应对这些多方面的污染挑战不仅需要技术创新，还需要强调效率、可持续性和长期可扩展性的循证环境管理策略。近年来，先进功能材料成为污染减排的前景解决方案。其中，二维（2D）纳米材料，特别是石墨烯及其衍生物，因其独特的物理化学性质而引起了科学界和技术界的广泛关注。石墨烯由排列成六方晶格的单层sp²杂化碳原子组成，具有优异的比表面积、机械强度、电导率和热稳定性。其衍生物包括GO、rGO和功能化石墨烯纳米片，它们含有含氧官能团和结构缺陷，增强了亲水性、化学反应性和水分散性。这些特性支持了多种环境应用，如吸附、光催化降解、膜基分离和污染物的催化转化。污染物去除机制通常涉及π-π相互作用、静电引力、氢键和表面络合。此外，将石墨烯整合到复合吸附剂、混合膜和催化系统中，提高了在环境相关条件下的去除效率、选择性和操作稳定性。

1.1. 文献综述
常规水处理技术，包括热处理、机械过滤和化学沉淀，因其简单性和相对较低的运营成本而被广泛使用。然而，这些方法在从复杂废水基质中去除重金属和新出现的污染物时，往往表现出有限的选择性和效率。因此，能够提供更高污染物去除性能的高级修复材料受到越来越多的关注。在这些方法中，石墨烯基材料在吸附、光催化、膜分离和环境传感方面显示出相当大的潜力。吸附因其有效性和操作简单而备受关注。传统上使用活性炭作为基准吸附剂，而最近的研究表明，结构改性和表面功能化可以进一步提高吸附性能。石墨烯基材料通过静电引力、π-π相互作用、氢键、范德华力和表面络合表现出优异的吸附能力。GO的含氧官能团为重金属离子和有机污染物提供了丰富的活性位点，而rGO由于恢复了石墨结构，对芳香族和疏水性污染物具有增强的亲和力。用聚合物、胺和金属纳米颗粒进行功能化进一步提高了吸附的选择性、容量和可重用性。除吸附外，石墨烯基材料在光催化修复方面也显示出巨大潜力。当与TiO₂、ZnO和g-C₃N₄等半导体结合时，石墨烯促进电子传输并抑制电荷复合，从而提高光催化效率。氧化石墨烯与ZnO等半导体材料的结合还有助于提高结构稳定性和界面特性。各种石墨烯-半导体复合材料在紫外光和可见光照射下对有机污染物的降解效果得到改善。石墨烯由于其高电导率、表面敏感性和可调谐的电子特性，也被整合到环境传感系统中，用于检测重金属、硝酸盐和酚类化合物等微量污染物。在空气净化中，石墨烯衍生材料通过吸附和催化转化机制有效捕获挥发性有机化合物、气态污染物和颗粒物。在膜基分离系统中，GO膜含有层状纳米通道，通过尺寸排阻、电荷排斥和亲水相互作用促进快速水传输并截留污染物。尽管在吸附、光催化、传感和膜技术方面取得了实质性进展，但该领域的快速扩展产生了复杂且分散的文献体系，因此有必要进行全面的文献计量评估。

2. 方法论
2.1. 数据来源与检索策略
文献计量数据从Elsevier Scopus?数据库中检索，该数据库全面覆盖了工程、环境科学和材料研究领域的同行评审科学文献。文献检索和筛选过程根据系统评价和荟萃分析的首选报告项目（PRISMA）2020指南进行报告，以增强方法论的透明度和可重复性。搜索查询应用于标题、摘要和关键字字段，检索词包含石墨烯及其衍生物、吸附或去除过程、主要环境污染物以及机制等限定词。

2.2. 数据筛选、选择与处理
数据检索和细化程序以PRISMA报告原则为结构参考。初步检索获取3349条记录。首先应用出版周期标准，将分析限制在2015年至2026年1月期间发表的研究，排除了指定时期外的427条记录。随后根据文献类型细化数据集，仅保留文章和综述论文，排除了会议论文、书籍章节等其他类型，将数据集缩减至2767篇出版物。接着应用语言标准，仅保留英文出版物，排除了103条非英文记录。最后应用来源类型标准，保留期刊来源，排除了2条书籍系列记录。经过这些顺序细化，2662篇出版物符合所有预定义的资格标准，构成了最终用于文献计量分析的数据集。在检索查询中包含“mechanism*”这一范围界定术语，是为了优先考虑涉及石墨烯基材料污染物去除过程、吸附行为、光催化降解途径和修复相关相互作用的研究，从而提高数据集的主题特异性和一致性。由于本研究的目标是大规模文献计量制图，而非对单项研究结果进行系统评价，这种数据库层面的筛选策略被认为是构建可重复文献计量语料库的适当方法。

2.3. 数据分析与可视化
文献计量分析采用性能分析和科学制图两种互补的方法进行。性能分析用于评估该领域的生产力和学术影响力，包括出版趋势、引文表现以及作者、机构、国家等的贡献。科学制图用于通过合著网络、关键词共现分析、引文分析和书目耦合来检查研究领域的智力、主题和协作结构。最终数据集作为CSV文件导出并在分析前进行清理。描述性统计使用Microsoft Excel执行，而文献计量制图和网络可视化使用VOSviewer version 1.6.20进行。软件通过合著、关键词共现、引文和书目耦合网络实现结构关系的可视化和分析。在关键词共现分析中，仅包含出现至少5次的术语。网络构建使用全计数法和关联强度归一化。聚类由VOSviewer聚类算法自动生成。在生成的可视化中，节点代表单个项目，节点大小反映频率或引文权重，空间邻近度反映了相关程度。

3. 结果与讨论
3.1. 领域的演变与智力增长
2015年至2026年间，石墨烯基环境修复研究的出版物产出和引文影响力呈现时间演变。总体模式表明研究生产力和学术可见度大幅扩张。年出版量从2015年的61篇增加到2025年的417篇，大约是2015年出版量的6.8倍。该领域的发展大致分为三个阶段：第一阶段为2015至2019年的稳定扩张期，年出版量从61篇增加到182篇，石墨烯及其衍生物被用于吸附、光催化、膜基分离等，应用日益多样化；第二阶段为2020至2022年的加速增长期，年出版量从245篇增加到328篇，研究越来越集中于功能化石墨烯衍生物、石墨烯-半导体光催化剂、聚合物-石墨烯膜等，扩大了石墨烯的作用；第三阶段为2023至2025年的持续整合期，年出版量从346篇增加到417篇，近期研究越来越强调高级膜架构、选择性离子传输、新兴污染物去除、防污性能等应用导向。引文模式通常与出版产出的增加平行，较晚出版队列的引文影响力显著增加。来源出版物分析表明，Chemosphere是最多产的来源，而在总引文方面，Chemical Engineering Journal排名第一。这表明来源生产力与学术影响力并不一定遵循相同的排名。

3.2. 全球研究结构：生产力与影响力的对比
石墨烯基环境修复研究的地理分布揭示了少数国家中集中的出版活动。中国在领先国家中占62%的出版物，其次是印度、美国、沙特阿拉伯和韩国。为了在研究生产力与引文影响力之间提供更平衡的比较，计算了相对引文影响力比率（RCIR）。美国的RCIR最高，为1.56，其次是韩国（1.50）、沙特阿拉伯（1.00）、中国（0.97）和印度（0.59）。因此，尽管中国在数量上占据主导地位，但其相对引文影响力大致与其出版贡献成比例。相反，美国的出版份额为9%，但引文份额为14%，表明相对于其出版量，其引文可见度不成比例地高。研究结果证明，研究生产力和引文影响力不一定遵循相同的地理模式，在评估国家贡献时应同时考虑绝对生产力和标准化影响力指标。

3.3. 全球合作网络
通过VOSviewer可视化的国际合作结构揭示了石墨烯基环境应用中高度互联和分层的研究生态系统。彩色编码的聚类表示协作社区，这些社区不仅由地理邻近性塑造，还由共同的主题优先事项和资助架构塑造。中国作为合作网络的主要枢纽出现，具有最高的总链接强度（TLS，438）和最大的节点大小，反映了其庞大的出版量。中国在网络中的中心地位意味着结构影响力，充当亚洲、欧洲、非洲和美洲之间智力交流的管道。印度、沙特阿拉伯和伊朗在区域子网络中也占据有影响力的地位。欧洲国家展示了多元化和外向型的合作概况。澳大利亚、马来西亚和阿联酋在网络中执行桥梁功能，连接不同的区域集群。这种网络拓扑表明，该领域从孤立的国家努力向全球整合的创新系统过渡。

3.4. 共现关键词
为阐明石墨烯基环境研究的概念架构，进行了共词分析。生成的网络揭示了四个主要主题聚类。第一个聚类以水为中心的修复策略为主，包含“废水”、“水污染物”等关键词，表明水相污染仍是主要应用领域。第二个聚类强调机制和热力学研究，包括pH、温度、动力学、热力学、吸附等关键词，反映了对不同环境条件下吸附行为的物理化学理解的深化。第三个聚类捕捉了材料工程和光催化降解的进展，包含“纳米复合材料”、“有机污染物”、“光催化”等术语，与TiO₂和ZnFe₂O₄等半导体材料的整合显示了协同增强，表明从被动吸附向主动催化修复的范式转变。第四个聚类围绕吸附、吸附容量、重金属和吸附机制，强调性能优化和GO在有毒金属去除中的机制阐明，如Cr(VI)。按出现频率和TLS排名的前10个关键词表明，基于吸附的修复仍然是主要焦点，而纳米复合材料等关键词的出现表明对高级石墨烯基混合材料的兴趣增加。主题演变模式表明，研究正从以吸附为中心的调查逐渐向结合光催化、膜工程和材料回收的多功能修复策略转变。

4. 启示
石墨烯及其衍生物在环境修复中的加速应用，标志着从探索性纳米材料研究向以解决方案为导向的环境工程的转变。文献计量结果表明，中国已成为全球合作网络中最核心、最多产的枢纽。除了学术产出外，这种中心地位还具有切实的技术意义，包括GO和rGO的可扩展合成路线。中国与澳大利亚、马来西亚、英国等国的密集合作关系表明，在膜制造、复合材料配方、再生协议和中试规模验证方面存在活跃的跨国知识转移。以印度为中心的区域网络与孟加拉国、巴基斯坦等国的联系，与侧重于经济高效的使用点水处理的国家优先事项相一致，GO-聚合物和GO-生物聚合物复合材料为去除重金属、染料和药物残留提供了经济高效的解决方案。这表明在本地化制造和技术扩散方面具有巨大潜力。

5. 石墨烯基环境应用中的技术创业机遇
文献计量概况突出了技术创业的巨大机遇，即将石墨烯基创新从实验室原型转化为可扩展的、市场准备就绪的技术。环境科学的主导地位表明，在水和空气净化技术方面具有直接的创业潜力，特别是针对重金属和新兴有机污染物的吸附系统。化学和化学工程的贡献为先进过滤膜和催化氧化系统的创业开辟了途径。材料科学和工程研究支撑了超越环境修复的工业商业化前景，GO基防护涂料和复合材料在汽车、航空航天和建筑行业具有广阔前景。生物化学和医学的新兴贡献表明在生物医学应用中具有未开发的商业化潜力。有效的商业化将依赖于连接学术界、工业界、风险投资和政府机构的协作创新生态系统，并直接有助于实现可持续发展目标中的清洁水和卫生以及负责任的消费和生产。

6. 研究空白、当前局限性与未来方向
尽管研究迅速扩展，但该领域仍存在几个空白。首先，该领域仍以吸附相关调查为主导，未来研究应超越实验室规模的吸附研究，向结合吸附、光催化、膜分离的综合修复平台发展。其次，需要进一步评估混合纳米复合材料和光催化系统的长期稳定性、再生效率、环境毒性和在真实废水条件下的性能。当前研究的局限性还涉及可扩展性和可持续性，未来的研究应优先考虑绿色合成策略、低成本前体材料、废吸附剂的安全回收以及全面的技术经济评估。在方法论上，本研究仅限于Scopus数据库索引的出版物和机制导向的检索策略，引文指标本身倾向于较早的出版物。未来的研究应采用跨不同出版周期的时间切片文献计量分析，以及标准化引文指标，以更严谨地理解研究演变和学术影响。未来研究方向应聚焦于可扩展的石墨烯基修复技术、循环材料回收系统、人工智能辅助材料设计等。

7. 结论
本研究基于2015年至2026年1月间发表的2662篇Scopus索引出版物，对用于环境修复的石墨烯基材料进行了全面的文献计量评估。研究结果揭示了在研究期间研究活动的大幅增加，突显了石墨烯及其衍生物在应对环境污染挑战方面日益增长的重要性。中国成为出版量和国际合作方面的领先贡献者，而强大的合著网络表明该领域日益全球化和跨学科的性质。关键词共现、引文和书目耦合分析确定了主要的主题模式，并表明研究重点正从基础吸附研究向光催化、混合纳米复合材料、膜技术、环境传感等先进研究领域发生明确演变。这些发现表明该领域正在成熟，并逐渐从实验室规模调查向应用导向研究过渡。尽管取得了重大进展，但在石墨烯基修复技术的大规模实施、长期稳定性、环境安全、经济可行性和生命周期可持续性方面仍存在挑战。总体而言，本研究为石墨烯基环境修复研究的智力结构、研究趋势和新兴方向提供了有价值的见解，可作为研究人员、政策制定者和行业利益相关者的参考。