研究背景

水是人类发展所必需的物质之一，是人类和其他生物赖以生存的物质基石。虽然地球的三分之二被水覆盖，但其中大部分(约97.5%)是咸水，只有很小一部分(约2.5%)是淡水。与此同时，全球人口不断增加，工业化进程也在加快，这使得水资源短缺和水质问题越来越严重。因此，利用可用于获取淡水的大量非淡水是必不可少的。确保足够的饮用水供应的一个现实和有希望的策略是海水淡化。电容式去离子(CDI)是一种新兴的海水淡化技术，可替代蒸馏法、电渗析法和反渗透法。图1显示了每年CDI论文的发表数量和被引次数，表明在过去十年中，CDI领域发表的论文数量呈指数级增长。回顾和分析以前的研究项目在学术界被视为一项有价值的活动，因为个人研究提供的理论和实证贡献对学术领域的知识和假设的增长至关重要。文献计量分析有助于了解电容去离子在科学研究领域的发展趋势，识别研究热点和前沿方向，并有助于指导未来研究方向的选择和规划。通过分析文献被引次数、期刊影响因子及相关指标，可以评价不同研究的质量和影响力，帮助研究者了解不同研究在学术界的影响及其对该领域的贡献。许多研究者从不同的角度对CDI进行了综述，包括能耗分析、电极材料、CDI电池设计等。然而，很少有人使用文献计量学来调查这一领域的研究热点、当前趋势和科学进展。

内容简介

本文旨在采用基于Citespace的科学计量分析方法，分析2009年至2023年收集在在科学网上发表的CDI相关文章，具体以四个主要目标为指导：(1)通过对现有CDI文献进行分类，确定CDI领域的研究方向和内容;(2)了解CDI领域的跨学科特点。(3)描述了该领域的关键知识群及其在过去20年的演变。(4)发现CDI领域的研究热点，预测其新兴趋势。

在Web of Science中进行高级检索，然后在主题栏中输入“电容性去离子”、“电吸附”或“电化学脱盐”等关键词，检索到与CDI相关的2633篇论文。文献的类型仅限于文章，因此不包括书籍、会议等文件。文章的时间跨度为1975-01-01至2023-04-01。在本文中，我们将2009年1月至2023年4月的数据分成15个1年的切片进行数据处理，这是由于2009年之前CDI年的论文数量较少(由图1可知)。

图文导读

根据“电容性去离子”、“电吸附”或“电化学脱盐”等关键词，我们从Web of Science数据库中获得了2633个CDI文档，现在我们对它们进行分类，如图2(a)所示。我们可以发现，发表最多的文献集中在电极材料上，有1215篇;其次是CDI脱盐机理分析，共493篇;还有366篇文章关注于CDI细胞架构的研究。这表明研究人员对电极材料有着极大的热情。图2(b)是1215篇电极材料研究文献的关键词聚类分析。从中我们可以看出，它们大多是碳材料，比如碳纳米管、多孔碳活性炭、氧化石墨烯等。碳材料因其成本低、比表面积大、化学稳定性好、无毒等优点而受到研究人员的青睐。普鲁士蓝类似物可归类为法拉第材料。图2(c)是CDI机制分析的关键字聚类分析。从图中可以看出，脱盐机理包括离子插入、双电层、法拉第反应等。从图d可以看出，CDI电池结构包括膜电容去离子、流电极电容去离子、混合式电容去离子等。

         双图叠加(图4)表明CDI研究是一个跨学科的研究。图左侧为施引期刊的聚类图，右侧为被引期刊的聚类图。左边的施引期刊代表知识前沿，右边的被引期刊代表研究基础。不同学科的期刊群可以用不同的颜色来表示。不同学科的期刊组通过CiteSpace内置的LLR算法聚类。例如，图左侧的学科5(物理、材料化学)表明，在这个聚集的期刊组中，它包括物理期刊、材料期刊和化学期刊。双图叠加中的波浪线显示了CDI研究课题的多学科关系。线越粗，连接越紧密。图4使用三条主要引文线(两条粉色和一条黄色)展示了CDI研究的跨学科联系。很明显，学科5(物理、材料化学)和学科7(兽医、动物、科学)占据了施引期刊的大多数，这与CDI领域的文献经常发表在材料、化学和科学等期刊上的事实是一致的;被引期刊主要分布在学科2(环境、毒理学、营养学)和学科4(物理、材料化学)，这表明物理、化学、材料和环境类期刊经常被CDI文献引用。

文献共被引是指同一文献同时引用两篇或多篇文献的情况，它可以揭示文献之间的相关性和研究的相关性，帮助研究者发现学术领域的知识结构和新兴过程。CiteSpace使用阈值级别对数据进行过滤，识别每个时间片中最关键的网络。图5是在CiteSpace节点类型中选择“reference”，时间片=1年，g-index (k=3)得到的聚类标签。从研究内容来看，获得的聚类结果可分为CDI运行性能分析、CDI电池设计和电极材料三个部分。CDI运行性能分析包括集群1(循环伏安法)和集群4(水回收)，集群1“循环伏安法”主要考察电极材料的电化学性能，进而判断电极材料是否具有高的离子存储容量，集群4“水回收率”是衡量CDI能否实际应用的重要绩效指标；集群2(膜电容去离子)和集群3(流电极电容去离子)与CDI电池设计相关。作为反应器的CDI池的除盐性能受其结构的显著影响。近十年来，CDI研究领域取得了很大进展，出现了各种CDI电池设计，包括流动电极CDI（FCDI）、膜CDI（MCDI）、倒置CDI(ICDI)、杂化CDI(HCDI)等；集群0(普鲁士蓝类似物)、集群5(有序介孔碳)、集群6(硝酸盐)、集群7(金属有机框架)、集群8(石墨烯)和集群9 (Mxene)都可以被归类为CDI电极材料。碳电极如有序介孔碳、活性炭、活性炭纤维或活性炭布是研究最早的电极材料。后来，石墨烯(由Geim和Konstantin Novoselov于2004年合成)也被作为CDI电极的潜在材料。此外，法拉第电极材料，如普鲁士蓝类似物，金属有机框架和Mxene最近引起了很多科学家的关注，这可能是由于法拉第电极材料比碳基材料具有更高的吸附能力。

如图6所示，从时间分布上看，电极材料的研究已经从早期的以石墨烯和分层有序介孔碳为主转向了金属有机框架、普鲁士蓝类似物和Mxene，这表明电极材料的研究已经从具有电双层电容行为的碳基材料向赝电容电极材料转变。在CDI电池结构方面，最早的CDI电池采用简单的流通或流过电池结构，主要原因是这种结构相对简单，易于实现和操作，然后在电极前添加离子交换膜(IEM)是一项重要的进步，称为膜电容性去离子(MCDI)。目前对CDI电池结构的研究主要集中在流动电极电容去离子、混合电容去离子(HCDI)和反向电容去离子(I-CDI)上。

图7是在CiteSpace的节点类型中选择“Keyword”得到的，节点表示关键词，节点之间的直线表示关键词的共现关系。相关节点“年轮”的面积与关键字出现的频率成正比。节点从中心到边缘的颜色梯度表示关键词研究的时间顺序:从早期研究到最近的研究。表4给出了前24个高频关键词的具体信息。共现频率最高的关键词是电容性去离子(capacitive deionization)，其值为1245次，也构成了本文研究的主题。此外，“性能”、“脱盐”、“海水淡化”、“去除”、“活性炭”、“能源”、“电极”、“水”、“电吸附”是文献研究中出现频率最高的十大关键词。结合时间线图6和关键词可以得出，CDI的研究热点主要集中在脱盐性能、法拉第电极材料、CDI电池设计、脱盐机理分析。这主要是因为CDI要想成功投入实际应用，需要开发成本低、电极吸附能力高、稳定的电极材料。此外，通过构建不同的CDI电池设计，可以提高电极材料的吸附能力。

Citespace对关键字网络进行分析，计算各关键词在不同时间段的出现频率。当某一关键字在一定时间内出现频率显著增加时，称为突发关键词。突发性关键词可以揭示新兴趋势、热门话题、某一学术领域的重要事件或研究课题。表5列出了十大爆发关键词，其中爆发关键词的强度用强度表示，红色部分的大小表示爆发关键字的持续时间。如表5所示，关键词“气凝胶”、“纳米管”和“电荷效率”在2009年至2015年间具有较高的爆发值。碳气凝胶和碳纳米管在电极应用方面受到了很多关注，主要是因为它们具有高比表面积、优异的导电性、良好的电化学稳定性和可控性。充电效率是Biesheuvel等人2009年在CDI工艺中引入的一个非常有用的参数，用于优化电极材料，显示出很大的潜力。2013-2017年爆发的关键词是“介孔碳”、“多孔电极”和活性炭电极。它们可以被归类为碳基材料，并且与气凝胶和纳米管一样，它们也以电极材料的形式用于CDI。以碳基材料为电极材料的离子存储机制为非法拉第离子存储。从2019年到2021年，关键词“法拉第反应”，有很高的频率。法拉第过程直到2019年才被广泛研究，可能是因为法拉第反应被认为对CDI性能既有积极的影响，也有消极的影响。在CDI系统中，有许多不同类型的法拉第反应，它们的负面影响可能导致电极寿命缩短、化学副产物的产生以及出水pH的波动。然而，它们的积极作用，如插层的影响和带电物种的出现，可以改善海水淡化性能。随着法拉第反应研究的深入，相应的法拉第电极材料也逐渐被研究人员所研究。关键词“氮”和“流动电极电容去离子”在2020 - 2023年间频繁出现。氮掺杂被认为是一种简单有效的提高CDI性能的策略，因为氮掺杂碳材料具有更好的电荷转移能力和润湿性，从而可以获得更高的盐吸附能力，因此引起了广泛关注。在膜电容去离子(MCDI)等经典CDI系统中，固定化多孔碳材料通常用作电极材料。然而，这些系统有一个共同的缺点。经典的CDI系统由于固定电极和依赖于电极的循环充放电而容量有限。此外，这种电极排列也减少了电极材料的数量，从而降低了离子吸附能力。相比之下，最近报道的流动电极电容去离子(FCDI)，它使用悬浮碳材料作为电极，可以通过利用流动电极的流动性，从而允许电极再生，是一个新兴领域。

总结与展望

本文基于CiteSpace对电容去离子的文献记录进行了分析，为电容去离子知识领域提供了一个独特而清晰的知识图谱。从以上分析的结果可以得出许多结论。CDI的研究在学科门类分布上呈现跨学科的趋势，主要集中在化学、物理、环境、材料四大学科;参考文献共被引聚类分析可视化了CDI研究的主要演变过程。电极材料从最常见的碳材料发展到碳基纳米材料，再到法拉第材料。CDI电池结构已经从传统的通过式CDI发展到电极前有离子交换膜的MCDI，再到现在的FCDI、HCDI和其他结构;关键词共现网络分析可视化了CDI的研究热点，主要集中在脱盐性能、法拉第电极材料、CDI电池设计、脱盐机理分析等方面。

虽然法拉第电极材料是目前的研究热点，但其作为CDI电极的应用仍存在一些挑战。首先，如果插入材料的晶格发生变化，可能会发生离子泄漏;其次，法拉第电极材料的高成本仍然是法拉第电极材料量产的障碍;最后，研究了法拉第电极材料循环稳定性阻碍了CDI的工业应用。因此，我们未来的研究不应该只关注提高材料的性能，而应该关注像石墨烯这样具有成本效益的赝电容材料的性能；原位技术的发展为另一个研究热点—脱盐机理分析提供了可靠的帮助。原位XRD和拉曼有助于了解法拉第电极材料的结构演变；此外，机器学习和数字孪生等新兴信息技术也为研究人员了解CDI中的海水淡化机制提供了额外的机会。随着智能和自动化技术的快速发展和广泛应用，CDI电池设计在未来有望迎来一系列的创新和进步。智能控制和自动化技术将成为CDI电池设计的重要组成部分，实现对电池运行状态的实时监测和控制，提高电池的稳定性和可靠性，为电池的运行和性能提供更加智能、高效的解决方案。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117107

摘要图：