缓蚀剂研究发展动态分析

时利香,陈瑾,李薇,丁慧

(1.资源环境系统优化教育部重点实验室 环境科学与工程学院,华北电力大学,北京 102206； 2.生态环境部环境规划院,北京 100012;3.华能国际电力股份有限公司上安电厂，河北 石家庄 050300)

随着石油、化工、能源加工业的工艺向着高温、高压和大型化方向发展，生产规模愈来愈大，对设备的安全性、可靠性提出了更高的要求。作为设备重要组成部分的金属材料，也面临着巨大的挑战。金属腐蚀指金属与其周围的介质发生化学反应或者电化学反应而遭到破坏的现象[1]。腐蚀不仅造成巨大的经济损失，而且破坏社会生产的正常进行，造成的后果十分严重。据统计，世界上每年因腐蚀而报废的金属材料有很多，其中有10%左右的废料无法再循环利用[2]。据中国腐蚀与防护学会数据表明，全世界每年因腐蚀而损耗的钢铁材料占钢铁总产量的1/6，我国每年腐蚀损失高达2万亿元。目前对金属腐蚀防护最有效的方法之一是添加缓蚀剂[3-4]。缓蚀剂以其使用剂量小、花费低、投加方便等优点[5]，被广泛应用到石油的开采加工、酸洗、工业循环水系统等领域[6]。

虽然关于缓蚀剂的研究论文越来越多，但是利用文献计量方法对该领域发展动态的报道极少。为了解目前全球缓蚀剂的研究现状及研究趋势，本文采用文献计量学方法，以Web of Science核心合集中收录的有关缓蚀剂的文献为研究对象，借助CiteSpace工具进行可视化图谱分析，以期能够揭示缓蚀剂研究的方向、热点机构、国家、期刊分布情况以及研究发展的现状及趋势前沿，为相关研究提供一定的参考依据。

1 数据与方法

文献计量分析旨在对文献体系和文献特征进行定量统计，并采用统计学手段和数学方法对研究对象进行定量分析[7-10]，其结果多是对文献的构成分布情况、数量变化规律、数据间交互关系等的描述[10]，被认为是科学、定量分析的主要工具[12-13]。近年来，文献计量学被广泛地应用于各学科领域论文统计、国家或研究机构影响力评价、发展态势分析等方面[14-15]。

CiteSpace是由美国德雷塞尔大学( Drexel) 信息科学与技术学院陈超美教授[16]与大连理工大学WISE 实验室联合开发的信息可视化软件[17-18]，是用来分析和可视共引网络的Java 应用程序[19]，近年来被广泛用于文献引文网络分析[20]。CiteSpace在对某一学科或领域进行分析时，通过合作网络分析、共现网络分析和共被引网络分析等绘制出某学科领域的可视化科学知识图谱，实现该领域新趋势与新动态[21]的可视化研究。

Web of Science 数据库是由美国科技信息所(Institute for Scientific Information，ISI)推出的引文索引数据库，是目前提供引文回溯数据最深的数据库，所收录的文献覆盖了全世界最重要和最有影响力的研究成果，成为国际公认进行科学统计与科学评价的主要检索工具[22]。通过综合利用以上分析手段，本文针对缓蚀剂领域的现有文献进行文献计量分析，以WOS核心合集为数据来源，采用基本检索的方式，以主题为检索项，以“Corrosion inhibitor”为检索词进行检索，检索年限为2005～2020年，检索到10 349条文献题录，检索时间为2020年5月3日。

2 结果与讨论

2.1 缓蚀剂研究方向分析

缓蚀剂经历了从无机到有机、从高磷、低磷到无磷、从高毒、低毒无毒的发展历程。19世纪中期，缓蚀剂才被用于工业生产。1860年英国公布的用糖浆及薰衣草的混合物作为酸洗缓蚀剂[23]的第一个专利，拉开了缓蚀剂的序幕。到了20世纪中期，人工合成缓蚀剂得到大力的开发利用，主要是含N、O、S等杂原子的有机物。20世纪50年代，金属铜的广泛使用使适用于铜系金属的缓蚀剂受到极大的重视。20世纪60年代，缓蚀剂的研究相当活跃，关于世界腐蚀与防护方面的国际学术会议首次举行，腐蚀类专业刊物也应运而出。20世纪60～70年代，主要是有关冷却水中铜、铝[24]的缓蚀剂和气相缓蚀剂的研究与使用。20世纪80年代，随着计算机业的兴起，利用计算机建立缓蚀剂的数学模型也让缓蚀剂开发进入一个新阶段。20世纪90年代，由于人们对环境保护意识的逐步增强，缓蚀剂的运用越来越趋向绿色环保、经济高效、无毒、“绿色化学”[25-27]的方向。进入21世纪，以天然物质为原料制取的缓蚀剂,如松香衍生物系列、聚天冬氨酸 (PASP) 海洋生物的提取液[28-29]以及以毛发水解产物为主要成分复配的缓蚀剂,都具有优良的生物降解及环境友好特性。

利用Web of Science 中分析检索结果功能，观察缓蚀剂的研究方向。对发文量排名前十的研究方向进行做图分析。

图1 缓蚀剂在不同研究方向的发文量Fig.1 Number of published papers for corrosion inhibitors in different research directions

由图1可知，近15年缓蚀剂在材料科学、化学领域研究应用较多，主要集中在材料科学、冶金工程、材料涂层、电化学、物理化学、工程化学、应用化学等方向。

2.2 国际合作分析

对上述10 349篇文献进行国家合作网络分析，经过分析可知，该研究领域内有63个国家进行合作，形成了159条合作连线，国家共现网络的密度为0.078 3，表明国家之间已经形成较密切的合作网络。图中发文量最大的国家是中国(2 177篇)，占全球文章发表数量的21.04%，其次是印度(1 378篇)、埃及(949篇)、美国(748篇)、沙特阿拉伯(739篇)、伊朗(562篇)、摩洛哥(438篇)等。中心性最高的国家是英国(0.28)，说明其与其他国家合作密切，辐射影响力较强，主要与伊朗、摩洛哥、印度、法国、南非等国家合作。中国的中心性较低，为0.01，主要与印度、澳大利亚等国家合作，说明在该领域的辐射影响力较低。虽然摩洛哥的发文量仅排名第七，但是其中心性为0.23，表明摩洛哥在该领域的研究深度和广度、与其他国家的合作密度、在国际上的影响力等都较为突出。依照中心性对该领域论文发表国家进行排序(表1)，通过分析发现国家的发文量与中心性相关性不大。

表1 中心性排名前十的国家Table 1 Top 10 countries for centrality

2.3 研究机构合作分析

目前全球有105个机构在该领域发表研究成果，分别按照发文量和中心性进行机构排名如下(表2)。

表2 不同角度下排名前十的研究机构Table 2 Top 10 research institutions from different perspectives

从机构排名结果来看，发文前10的机构依次为中国科学院发文292篇，占比2.82%；西北大学发文227篇，占比2.19%；法赫德国王石油矿产大学发文227篇，占比2.19%；印度巴纳拉斯大学发文205篇，占比1.98%；沙特国王大学发文165篇，占比1.59%；埃及石油研究所发文154篇，占比1.49%；艾因夏姆斯大学发文146篇，占比1.41%；西南石油大学发文134篇，占比1.29%；穆罕默德大学发文124篇，占比1.20%；重庆大学发文117篇，占比1.13%。这些机构属性都是大学和科研院所，说明学术机构很重视缓蚀剂研究并且做出了巨大贡献。

从按照中心性进行机构排名结果来看，中国科学院中心性为0.41，主要与法赫德国王石油矿产大学、重庆大学、UYO大学等机构合作；西北大学中心性为0.39，主要与印度巴纳拉斯大学、法赫德国王石油矿产大学、UYO大学、西南石油大学等机构合作。中国科学院和西北大学在机构合作网络图谱中起到重要的桥梁纽带作用。虽然(伊本佐尔大学和UYO大学的发文量较低(分别为79篇、63篇)，但是其中心性比较高(0.26和0.24)，在机构合作中扮演重要角色。

2.4 引文共被引分析

共被引分析(Co-Citation analysis)是指两篇文献共同出现在第三篇施引文献的参考文献目录中，则这两篇文献形成共被引关系。通过对一个引文网络进行文献共被引关系挖掘的过程，就可以认为是文献共被引分析的过程。共被引次数越多，这说明这两篇文献相似之处越大，关联强度也越大，被引用文章的研究重点即为该领域或学科的热点、前沿方向。

通过分析缓蚀剂研究引文共被引分析知识谱图发现，Solmaz R在2008年发表文章“Investigation of adsorption and inhibitive effect of 2-mercaptothiazoline on corrosion of mild steel in hydrochloric acid media”被引用的次数最多，且中心性也最高(1.11)。其次是Popova A 在2004年发表文章“Adsorption characteristics of corrosion inhibitors from corrosion rate measurements”、Gece G在2008年发表文章“The use of quantum chemical methods in corrosion inhibitor studies”、Aljourani J 在2009年发表文章“Benzimidazole and its derivatives as corrosion inhibitors for mild steel in 1M HCl solution”。

通过研读这些高共被引文献，发现研究内容集中在四个方面：(1)含有硫、含氮、含氧[30]的化合物在酸性介质中对低碳钢的缓蚀效果好，比如咪唑类、衍生物、烷基咪唑离子、酮康唑等有机物[31-33]；(2)一般通过失重试验、电化学阻抗谱、动电位极化、线性极化电阻技术对缓蚀剂的缓蚀性能进行研究[34]，同时还会利用扫描电镜、AFM(原子力显微镜)进行表面形貌的观察分析；(3)对于缓蚀剂的缓蚀效果，量子化学法可以分析缓蚀剂的结构与性能，从微观层面深入分析缓蚀剂的结构官能团与缓蚀效果的关系；(4)通过热力学函数[30]计算得到缓蚀剂的吸附自由能、吸附热等参数，分析缓蚀剂在金属表面的吸附类型及方程。

2.5 研究发展态势分析

关键词是作者提炼其研究内容的重点，所以分析关键词可以反映该领域的热点和发展态势，文献计量分析往往是使用关键词作为重要的指标。

2.5.1 研究热点频次分析 利用关键词词频分析可以从成果数量的角度反映出该研究的热点和弱项。为了研究缓蚀剂这一领域研究热点的趋势变化，分析10 349篇数据集2005～2010年、2011～2015年、2016～2020年排名前15的关键词。

表3显示的是不同阶段关键词出现频率的降序排列，可以看出，“mild steel”一直位于榜首，说明从2005年到目前为止腐蚀研究的材料一直是低碳钢，且在2011年以后较以前增加了1倍。比较三个年限阶段，发现在2011～2015和2016～2020年两个阶段出现新的关键词“电化学阻抗谱”，这是一种利用电化学工作站进行的探究缓蚀剂的电化学机理的实验方法。比较2005～2010年和2011～2015年关键词降序，发现关键词“吸附”由第五变为第二，这是由于有机缓蚀剂主要是通过吸附在金属表面形成保护膜来起到腐蚀抑制作用，为缓蚀剂机理研究提供了新的思路。同时，在2011～2015年铝金属材料成为大家研究金属腐蚀的热点材料；比较2016～2020年和2011～2015年关键词降序，并没有很大的变化情况，新出现“表面”关键词，说明腐蚀领域的研究开始着重金属材料表面的观察分析，目前扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱分析成为金属材料主要的表面形貌和成分分析手段。

表3 不同年限前15位高频关键词降序排列Table 3 Descending order of top 15 high frequency keywords in different years

2.5.2 研究热点共现分析 共现是指两个词在一篇文献中一起出现的次数，出现的次数越多，表明这两个关键词主题越紧密。通过关键词共现分析，发现共有83个关键词共现，共现网络的密度为0.045 8，说明关键词之间的联系较紧密。其中，“低碳钢”不仅频次高，是研究的重点，且其中心性也最高，为0.65。突发性检测(burst terms)可以观察关键词的突现强度和生命周期，表明关键词出现的时间长度，因此文章利用突发性检测到在2005～2020年时期内有38个突现词。其中，“性能”突现强度最高，达到66.425 1，但是其生命周期为3a(2017～2020)年，这是2017年突现的关键词，表明缓蚀剂研究逐渐重视通过旋转挂片实验、开路电位Eocp随时间的变化曲线、电化学阻抗谱、线性极化、Tafel极化曲线等实验来进行缓蚀剂性能的研究。“点蚀”、 “效率”、“铝合金”、“表面活性剂”的生命周期最长，达到了9a(2005～2014年)，全面体现了腐蚀的类型、金属材质、新的缓蚀剂材料表面活性剂等几个研究方面。

3 结论

综上所述，通过对检索到的有关缓蚀剂领域的10 349篇文献进行文献计量分析，得出以下结论：

(1)通过对合作网络图谱分析，发现发文量较多的国家和机构主要集中在发展中国家；同时发文量较高的国家和机构其中心性并不高，表明发文量并不能代表某个国家和机构在该领域的研究深度与其他国家和机构的合作密度以及国际影响力，但是发文量较高的国家所包含的机构发文量也较高；发文量前十的机构主要集中在中国、沙特阿拉伯、埃及国家，其中中国占3个，沙特占2个，埃及占2个。

(2)通过引文共被引分析，发现目前大多数研究的缓蚀剂集中在含有N、S、O等杂原子和π电子对的有机缓蚀剂和合成缓蚀剂，且被应用到酸性介质中；另外未来的研究将集中在新颖、绿色的缓蚀剂研究，如果皮、植物提取物等；提出了微观角度分析缓蚀剂机理的方法：量子化学法；对于合成缓蚀剂的表征更加全面，包括扫描电镜分析、傅里叶变化红外光谱法、热重分析法、紫外可见光谱分析等；除了研究缓蚀剂作用的动力学参数，还研究热力学参数，如：吉布斯自由能、吸附热、熵等，拟合缓蚀剂吸附模型。

(3)通过对2005～2010、2011～2015、2016～2020三个时间段关键词分析，发现 “低碳钢”、“吸附”、“盐酸”一直是研究热点。通过关键词共现网络知识图谱分析，发现“低碳钢” 和“硫酸”中心性较高，与其他的关键词关系密切，是研究重点。“点蚀”、 “效率”、“铝合金”和“表面活性剂”在2005～2014年一直是研究重点，且被重视程度也较强。