基于关键词共现的国内纳米CeO2处理污水研究主题分析

史启明，雷易璇，屈撑囤，侯荣理，康美娟，樊长军

(1.西安石油大学 图书馆，陕西 西安 710065； 2.西安石油大学 化学化工学院，陕西 西安 710065；3.西安石油大学 高教研究与评估中心，陕西 西安710065)

引 言

二氧化铈(CeO2)是一种价廉且用途广泛的稀土氧化物，其纳米化材料具有高比表面积，优良的储放氧能力、氧离子传导性能、氧化还原性能和高温快速氧空位扩散能力，广泛应用于功能陶瓷、发光材料、抛光剂、紫外吸收剂、催化剂、气体传感器、燃料电池、水处理和医学领域[1]。基于纳米CeO2材料具有的高比表面积、高光催化活性及其他一些新颖的光电性能，目前国内将纳米CeO2基材料应用于污水处理研究工作中并取得丰富的研究成果[2-3]。基于文献关键词的共现分析方法可以发现一个领域的研究热点、子领域及它们之间的关系以及领域知识结构，国内学者利用共词分析方法的研究主要集中在信息与图书情报[4]、医学[5]、教育[6]、管理[7]等领域，专门针对自然科学与工程技术的研究还不多见[8-9]。未见国内利用文献计量分析法对纳米CeO2基材料用于污水处理领域的相关文献进行分析的报道。本文对2000—2019年国内三大中文全文数据库中有关纳米CeO2基材料用于污水处理领域的文献进行研究，采用对高频关键词的共现分析，多角度探讨纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究热点及其特征，为纳米CeO2基材料全面运用于环境污水治理提供了思路。

1 数据来源与研究工具

1.1 数据来源

研究以“纳米二氧化铈”或“纳米CeO2”和“污水处理”或“废水处理”为主题检索词，对三大中文全文数据库(CNKI中国知网、万方数据库与重庆维普数据库)在2000—2019年间文献进行检索，检索截止时间2019年12月31日。每一条数据记录包括文献题目、作者、关键词、摘要、参考文献等关键信息，排除资料不全的来源文献，最终共检索到文献题录143条。

1.2 研究工具

(1)Excel 2016：用于对检索到的文献题录去掉重复处理、文献关键词的汇总分析以及构建共词分析法所需要的关键词的词篇矩阵和高频关键词的共现矩阵。

(2)SPSS 25.0：用于对高频关键词的共现矩阵进行因子分析、聚类分析及多维尺度分析。

2 研究方法与步骤

2.1 关键词的预处理

由于目前作者关键词的拟定具有一定的主观性，所以在进行关键词词频统计之前首先进行关键词的预处理。主要包括4个方面：(1)语义合并：词义相同但表述不同的词，如“纳米二氧化铈”和“纳米CeO2”；含义相近的词，如“制备”和“合成”；(2)形式规范：“纳米棒”、“纳米CeO2棒”统一为“纳米棒”；(3)删掉毫无意义的关键词(现状、进展)；(4)从每篇文献的题名、文摘中人工抽取关键词，每篇论文的关键词不超过8个，尽可能体现文献的特征[10]。

2.2 关键词词频统计分析

采用Excel的关键词分列，运用 Excel 的分类功能，将处于一个列的关键词分列为若干列，使每一个词单独呈现。将所有关键词全部复制到一列，启动数据透视表(单项表)，计数关键词，按计数结果降序排列，统计关键词词频。

2.3 筛选高频关键词

根据改进的齐普夫定律推导出的高频低频词界定公式[11]T=0.749×Nmax计算出词频临界值，筛选出对应的高频关键词。式中，T为高频词阈值，即高频、低频词频临界值，Nmax为关键词的频次最高值。

2.4 构建关键词词篇矩阵

采用Excel设置行列来源于文献，列为特征项(关键词)，若关键词在文献中出现，赋值为1，否则为0，形成高频关键词的词篇矩阵。

2.5 构建高频关键词共现矩阵

采用Excel设置行列均是高频关键词，单元格的数字则是行高频关键词和对应列高频关键词共同出现的次数，形成高频关键词的词篇矩阵。

2.6 利用SPSS进行相关分析

利用SPSS对高频关键词的相关矩阵进行因子分析、聚类分析及多维尺度分析。

3 研究结果数据分析

3.1 关键词词频统计分析

关键词是作者为了文献标引工作，从研究内容中选择出来用以揭示研究成果、思路以及研究方法等科学文献核心内容的自然语词。关键词出现的频率越高，表明该关键词所代表的研究领域越受关注并有可能成为研究热点[12]。高频关键词能反映该领域研究热点，关键词的变化则能反映研究对象的发展趋势。根据改进的齐普夫定律推导出的高频低频词界定公式T=0.749×Nmax，计算的高频词阈值为5.8，选定词频≥6的32个高频关键词，部分列示于表1。

表1 高频关键词(部分)Tab.1 High-frequency keywords (part)

对高频关键词依据属性聚类为：不同组成的纳米CeO2基材料(纳米复合氧化物、纳米负载材料、铈掺杂)；不同形貌的纳米CeO2基材料(纳米颗粒、多孔纳米、纳米棒、纳米管)；不同的合成方法(水热法、微波、浸渍法、溶胶凝胶法)；应用(光催化、催化湿式氧化、吸附、降解、染料废水、医药废水、苯酚)。可以看出，国内关于纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究主要集中在以下方面：(1)不同形貌纳米CeO2基材料和不同组成的纳米CeO2基材料制备；(2)纳米CeO2基材料催化湿式氧化处理污水；(3)纳米CeO2基材料光催化处理污水；(4)纳米

CeO2基材料吸附处理污水。但仅凭词频统计还不足以准确描述国内关于纳米CeO2基材料在污水处理领域中应用的研究热点。

3.2 高频关键词的共现分析

2个关键词在同一篇文献中同时出现称为关键词共现。关键词的共现分析就是通过对能够表达某一学科研究领域的2个或多个专业术语共同出现在同一篇文献的现象进行统计分析，判断学科研究领域中相关主题词之间的亲疏关系、梳理研究领域的知识基础、展现该领域的研究结构、挖掘研究领域中隐含或潜在的信息、揭示学科研究热点与研究前沿[13]。

5244运输巷埋深390～480 m，位于潞新一矿东翼采区，属未采区域，沿4号煤层底板掘进，矩形断面4 200 mm×3 100 mm。从邻近已掘巷道看，由于靠近F2断层，掘进工作面动力显现强烈，特别是顶煤中产生的动载致使顶板变形大，控制困难。

利用选定的32个高频关键词构建高频关键词共词矩阵(由于篇幅受限，只列出部分于表2)。其中的行列交叉点数据代表了两两关键词同时出现的频次。“复合氧化物”与“催化湿式氧化”行列交叉点数据为30，表示有30篇论文的关键词中同时含有上述2个关键词。

从高频关键词共词矩阵可以看出，国内关于纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究主要集中在以下方面：纳米CeO2复合氧化物材料催化湿式氧化处理污水、不同形貌纳米CeO2复合氧化物材料光催化处理污水、纳米CeO2复合氧化物负载型材料处理污水、利用水热法制备纳米CeO2基材料催化处理污水、通过掺杂(锰、铜、铁)改性纳米CeO2基材料作为催化剂处理污水、通过铈掺杂改性纳米TiO2基材料作为催化剂处理污水、纳米CeO2颗粒材料作为吸附剂处理污水。

表2 高频关键词的共词矩阵(部分)Tab.2 Co-word matrix of high-frequency keywords (part)

3.3 高频关键词共现的多元统计分析

高频关键词共现的多元统计分析就是通过高频关键词共现相似矩阵进行因子分析、聚类分析和多维尺度分析，发现高频关键词之间所代表的类群关系，得出该研究领域包含的研究主题的组成状况，呈现该领域的研究热点和研究发展趋势[14]。

3.3.1 关键词共现的因子分析

关键词共现的因子分析就是将关键词的共现相似矩阵中的每个关键词看作一个因子，利用 SPSS 25.0软件选择“主成分”和“相等最大值法”进行因子分析，得到碎石因子图、抽取因子旋转后的总方差解释表及主成分矩阵，将研究的关键词进行分组，得出该研究领域包含的研究主题的组成状况。

(1)解释的总方差分析

按照“特征值大于 1 的因子被保留，特征值小于 1 的因子被舍弃”以及“提取的因子累积方差百分比要达到50%以上”的原则[7]，从总方差解释表(表3)可以看出，提取8个因子，因子分析的变量总累计贡献率达到76.755%，说明对这143篇文章的关键词进行因子分析是有价值的。同时说明国内纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究的32个高频关键词，可以归类为8个研究方向主题，解释该领域研究体系76.755%的信息。

表3 因子分析总方差解释表Tab.3 Factor analysis total variance interpretation table

借助碎石图(图1)可以发现，前8个因子曲线较陡，因此可从高频关键词中提取8个因子，为聚类分析提供依据。

图1 碎石因子图Fig.1 Gravel factor graph

(2)因子成分的提取及分析

表4 因子成分指标矩阵Tab.4 Factor component index matrix

续表4：

舍弃载荷数值负数的关键词，保留载荷数值为正数值(大于0.1)的关键词，由此可以概括出国内关于纳米CeO2基材料用于污水处理领域研究的8个方向的主题组成状况。

依据每组因子中前3位关键词结合其他关键词的属性，对8组因子进行归类命名可以看出国内关于纳米CeO2基材料用于污水处理领域研究方向主要包括：(1)纳米CeO2负载型基材料催化湿式氧化处理污水；(2)纳米CeO2复合氧化物材料光催化处理印染污水；(3)铈掺杂的纳米TiO2材料催化湿式氧化处理污水；(4)微波辅助多孔纳米CeO2基材料催化湿式氧化处理印染污水；(5)不同形貌的纳米CeO2基材料光催化处理印染污水；(6)掺杂纳米CeO2负载型材料催化氧化处理污水；(7)不同形貌的纳米CeO2基材料吸附处理污水；(8)不同形貌的纳米CeO2基材料催化湿式氧化处理污水。

3.3.2 关键词聚类分析

关键词聚类分析是利用 SPSS 25.0软件对关键词相异矩阵进行系统聚类，得到树状聚类分析图(见图2)，直观呈现出关键词之间的亲疏关系，判断它们的关联程度，将零散的关键词聚合成若干个研究词团以揭示研究领域的热点。

根据聚类结果并结合专业知识对每一类关键词组合的语义关系加以分析，归纳出国内有关纳米CeO2基材料用于污水处理领域研究的8个研究热点：(1)纳米CeO2基材料作为光催化剂应用；(2)纳米CeO2基材料作为湿式氧化催化剂应用；(3)纳米CeO2复合氧化物材料制备及应用；(4)铈掺杂纳米TiO2材料制备及应用；(5)掺杂改性纳米CeO2基材料制备及应用；(6)纳米CeO2基材料作为吸附剂的应用；(7)不同形貌纳米CeO2基材料制备及应用；(8)多孔纳米CeO2材料制备及应用。

图2 树状聚类分析图Fig.2 Tree cluster analysis graph

3.3.3 多维尺度分析

利用相异矩阵计算得到纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究论文的高频关键词中心度和密度，以X轴代表中心度，用Y轴代表密度，绘制战略坐标图(图3)。用密度和中心度来表示某个主题的发展状况及主题与其他主题之间的联系紧密程度。主题的密度越大说明该主题的发展越趋于成熟，反之，说明该主题处于基础阶段，发展越迟缓。主题的中心度越高，说明该主题与其他主题之间的联系越密切，反之，说明与其他主题之间的联系不大[10]。从可视化图谱中可以看出，相同群集的关键词分布情况与系统聚类的结果基本一致。

图3 派生激励配置欧氏距离模型Fig.3 Derived incentive allocation Euclidean distance model

第一象限内催化湿式氧化、纳米负载材料、浸渍法等研究主题具有较高的中心度和密度，表明其类间联系紧密、核心作用较强。以浸渍法制备纳米CeO2基负载材料催化湿式氧化处理污水研究主题比较重要并且发展较成熟。

第二象限内的多孔纳米、纳米球、吸附剂等主题具有高密度，表明其内部联系较强，但外部联系较差。不同形貌纳米CeO2基材料作为吸附剂处理污水研究主题是发展成熟的孤立主题。

第三象限内的水热法、溶胶凝胶法、铈掺杂、二氧化钛、纳米颗粒、甲基橙等主题的中心度和密度都较低，表明与内外部的联系都不大。不同合成法制备铈掺杂二氧化钛纳米材料处理污水研究主题处于新出现的状态，纳米CeO2颗粒处理染料废水研究主题为可能将要退出的状态。

第四象限内的复合氧化物、光催化等主题具有较高的中心度，但密度较低。纳米CeO2复合氧化物材料处理污水和纳米CeO2基材料光催化处理污水研究领域很重要，主题本身没有发展成熟。

4 纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究主题论述

基于前面的分析可知，国内关于纳米CeO2基材料用于污水处理领域的研究主题聚焦于纳米CeO2基材料应用于催化湿式氧化法处理环境废水研究、纳米CeO2基光催剂处理有机废水研究、纳米CeO2基吸附材料处理环境废水研究等3个领域。

4.1 纳米CeO2基材料应用于催化湿式氧化法处理环境废水研究

纳米CeO2基材料应用于催化湿式氧化法处理废水研究主要集中在采用不同形貌的纳米CeO2基材料催化不同氧化剂处理不同来源的工业废水。研究可以分成以下4类：(1)不同形貌纳米CeO2基材料制备和催化湿式氧化法处理废水性能[15]；(2)纳米CeO2复合氧化物材料制备和催化湿式氧化法处理废水性能[16-17]；(3)不同负载型纳米CeO2基材料制备和催化湿式氧化法处理废水性能[18-19]；(4)不同负载型纳米CeO2复合氧化物材料制备和催化湿式氧化法处理废水性能[20-21]。

4.2 纳米CeO2基材料应用于光催化处理有机废水研究

纳米CeO2具有优异的光催化性能和低的成本，使以CeO2为基材的纳米级半导体材料逐渐取代TiO2成为新型光催化剂。目前主要研究集中在考察了不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂对不同类型的有机废水的处理性能，研究可以分成以下5类：(1)不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂制备及对染料废水中单一的亚甲蓝、吖啶橙、氨基黑、甲基橙、酸性橙、刚果红、偶氮等染料光降解[22-23]，未来应加强纳米CeO2对混合染料光降解研究；(2)不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂制备及对通过人工合成有机物进入水体或在水体中转化而形成的水中苯酚、酚类有机物降解性能[24]；(3)不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂制备及处理有机农药废水[25]；(4)不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂制备及处理医药废水[26]；(5)不同组成及形貌的CeO2纳米光催化剂制备及处理含油废水[27]。

4.3 纳米CeO2基材料应用于吸附法处理环境废水研究

纳米CeO2基材料具有高比表面积使得纳米吸附剂具有高吸附容量，纳米CeO2基材料的孔径和结构可调控性可以用来控制纳米吸附剂的吸附动力学性能，纳米材料的表面化学性质使得纳米吸附剂可以产生高活性的吸附位点，具有较高选择性。利用纳米CeO2基材料具有高表面活性的特点作为吸附剂，通过吸附去除水中重金属离子和有机染料。目前纳米CeO2基材料用作吸附剂的研究主要集中在探究合成多孔的不同形貌的纳米CeO2基材料作为水处理中的吸附剂，除去金属离子和有机物。研究可以分成2类：(1)不同组成及形貌的CeO2纳米吸附剂的制备及除去金属离子[28-29]；(2)不同组成及形貌的CeO2纳米吸附剂的制备及除去有机物[30]。

5 结 语

(1)利用关键词共现分析对国内纳米CeO2基材料在污水处理领域的研究主题进行量化研究，发现主要涉及催化湿式氧化法处理环境废水、光催剂处理有机废水、吸附法处理环境废水等3个研究热点领域、11个研究方向，这与文献查阅的结论是一致的，说明基于关键词共现方式查阅资料可有效确定研究的热点领域。

(2)开发廉价制备纳米CeO2基材料的方法、探究复合理论化机理、将传统污水处理技术与纳米CeO2基材料催化降解相结合以形成新型的联合新工艺、分析纳米CeO2基材料催化降解污水目标物机理及关注最终产物，是未来研究的热点。