专利视角下中国CCUS技术研究进展与展望

◆王 宏 魏山森 王苛宇 王贺谊 吴 鹏

国家主席习近平在第75届联合国大会上提出中国要在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和目标，CCUS技术作为碳中和关键减排技术手段之一，被认为是实现这一目标的关键手段。因此，针对CCUS技术国内外学者开始关注这一领域发展。目前，我国学者对于该技术的研究主要集中在CCUS技术的发展进程及方向、CCUS技术全球发展对中国的启示等几个方面。米剑锋、马晓芳指出我国CCUS技术的发展趋势和目标，并详细论证了其在我国发展面对的各种挑战[1]；姜睿梳理了国内外CCUS项目现状和有关政策，并对我国发展CCUS产业给出了建议[2]；吴何来等人总结梳理近年来国外主要发达经济体CCUS相关政策的发展情况，进而从国家、地方政府层面入手，系统整理我国CCUS的相关政策或规划，结合试点示范项目的建设情况，分析发展中存在的不足并提出了建议[3]。

关于CCUS技术的文献计量分析和专利技术分析，已经有不少学者做了统计。申硕利用文献计量方法对2000～2020年来自Web of Science数据库中全球范围内的CCUS相关科学文献进行了系统梳理与分析[4]；肖涵彬等人利用CiteSpace软件对德温特专利数据库中全球范围内的CCUS技术专利进行计量分析[5]；但是目前却没有学者基于Web of Science对我国CCUS领域的技术专利进行计量分析。

基于此，本文通过整理并清洗德温特全球专利数据库的CCUS技术专利，利用CiteSpace和VOSviewer对国内近20余年在CCUS领域内的专利技术进行量化分析，梳理该领域研究现状及其发展规律，可以为后续学者研究提供相对客观和有价值的参考。

一、研究方法与数据来源

（一）数据来源

本文以Web of Science（以下简称WOS）的德温特专利数据库（Derwent Innovations Index，以下简称DII）作为数据来源。DII是由Thomson Derwent与Thomson ISI公司共同推出的专利信息数据库，相较于其他国内的专利数据库，DII数据库独有的分类系统经过格式转换后可以导入其他软件进行深入的可视化共现分析，因此，本研究选择DII作为数据来源。

为了保证其收集数据的完整性，本文在DII中分别以“碳捕集”，“碳利用”以及“碳封存”的技术领域作为检索主题，分别进行三次检索。检索式分别为：TS=(“carbon capture*”or“carbon dioxide capture*”or“CO2capture*”or“capture*carbon”or“capture*carbon dioxide”or“capture*CO2”)；TS=(“carbon utiliz*”or“carbon dioxide utiliz*”or“CO2utiliz*”or“utiliz*carbon”or“utiliz*carbon dioxide”or“utiliz*CO2”)；TS=(“carbon storag*”or“carbon dioxide storag*”or“CO2storag*”or“storag*carbon”or“storag*carbon dioxide”or“storag*CO2”or“carbon sequestra*”or“carbon dioxide sequestra*”or“CO2sequestra*”or“sequestra*carbon”or“sequestra*carbon dioxide”or“sequestra*CO2”)。检索时间范围无限制，检索时间为2022年5月23日。对专利权属在中国的专利进行整理与分析，最终可得有关碳捕集技术专利438篇，碳利用专利285篇，碳储存的专利570篇，总计1293篇。

（二）研究方法

将上文得到的1293条记录导出，格式设置为纯文本，记录内容选择“全记录”。通过Citespace对导出的数据进行格式转换和数据清洗，最终得到996篇有效文献，之后利用CiteSpace对其996篇有效文献进行可视化分析，并根据文献计量学知识体系进行分析和研究。其转换后主要字段格式前后对照见表1。

表1 文献转换格式前后对照表

二、我国CCUS技术专利的数量与分布

（一）时间分布

本文通过CiteSpace对专利年发表量进行统计分析，得到其时间分布结果如图1所示。

图1 专利年发表量统计

由图1可知，中国CCUS专利技术的时间分布呈现整体上升趋势。在2003年我国出现了首个CCUS技术专利，在2003～2006年期间，CCUS技术专利数量未出现明显增长。直到2006年开始，该技术专利数量开始逐年递增。特别在2016年，其专利数量增长率达到最高，约为74%。这一增长得益于我国开始大力推行新政策，例如在2016年，国务院发布《“十三五”控制温室气体排放工作方案》。总体而言，我国CCUS专利技术的数量呈上升趋势，随着双碳目标的提出，未来我国在该领域的专利数量会不断增加。

（二）空间分布

本文利用VOSviewer对其CCUS技术专利权人进行统计，整理出其拥有专利技术数量前十的专利权人，分别是东南大学、天津大学、华北电力大学、浙江大学、清华大学、大连理工大学、西安交通大学、华南理工大学、西南石油大学、北京科技大学（见表2）。根据表2可知，CCUS技术专利权人所在单位前十名均是我国知名高校，其中专利拥有量最多的是东南大学，其拥有的专利量为100项。本研究表明，以上分析与肖涵彬所得出的结论：CCUS技术专利在中国更多的是分布在高等教育机构中完全吻合。

表2 我国专利拥有量前十的专利权人统计表

三、CCUS技术专利热点分析

出现频次越高的词则代表着研究热点，本文分别以德温特分类代码（DC）和德温特手工代码（MC）为中心节点绘制其共现图谱，如图2所示。

从图2a可以看出，我国CCUS专利技术的德温特分类代码主要集中在两块，分别是E36（非金属元素半金属（Seu Teu Bu Si）及其化合物），J01（分离-包括蒸发、结晶、溶剂萃取、色谱、透析、渗透，包括干燥气体和/或蒸汽，以及固体与气体、液体和其他固体的分离。同位素分离过滤材料）。其德温特代码为E36的节点最大主要是因为进行碳捕集，碳利用和碳封存都离不开相关化学物质，例如：将有机胺溶解在水中制备二氧化碳吸附剂进行碳捕集；基于碳捕获能量回收和脱氮的污水处理系统等等。其德温特代码为J01的专利也主要为二氧化碳分离并捕集的技术，只不过其不仅包括利用化学元素捕集，还包括其它的一些捕集二氧化碳的方法。例如：将配体2-甲基咪唑和离子液体分散在甲醇溶液中，滴入六水合硝酸锌中，引入离子液体，制备离子液体改性金属有机骨架材料，用于捕获二氧化碳；利用三室电渗析技术提纯CO2等。表3为出现频次前十的德温特分类代码，其包括利用计算机进行模拟的技术（T01）以及利用除化学元素以外的方式进行碳捕集，利用和储存的方法（D16）。

从图2b可以看出，除去E31-N05C（二氧化碳）之外，其他的节点出现频次比较均匀。表4展示了其出现频次前十的德温特手工代码。分析表3发现除了研究对象CO2的德温特手工代码之外，出现频次最高的为J01-E02B（固体吸附剂处理废气的相关专利技术），出现频次为62次。其次是E11-Q02C（其他类型的污水处理工艺或设备），出现频次为53次。从其出现年份来看，我国对CCUS技术的关注及其专利技术的发明在2015年之前主要集中在对废水污水的处理，在2015年之后才开始逐渐转向对废气的处理，且其整体进度比世界上其他国家晚了几年。

图2 中国CCUS专利技术分类代码（a）和手工代码（b）共现图

表3 分类代码出现频次前十统计表

表4 手工代码出现频次前十统计表

四、我国CCUS技术专利的前沿技术分析

（一）爆发词分析

爆发词是指在一定时间段频繁出现的关键词，通过对关键词的分析，可以了解研究热点随时间的演变，进而分析近几年研究趋势。分别对我国CCUS专利技术的德温特手工代码进行突显性可视化分析（见图3）。

通过对图3的观察发现，可以将其分为三个阶段。第一个阶段为2010～2013年，在这段时间内出现的爆发词有E11-Q01A（化学净化法），JO1-E（处理气体或蒸汽）和E11-Q01B（物理净化法），此时的热点研究方向是碳捕集，专利热点均为碳捕集技术，包括化学物质碳捕集技术，物理碳捕集技术，和微生物碳捕集技术。

图3 MC爆发词统计

第二个阶段为2014～2018年，在这一阶段的专利技术爆发词主要有：L03-H05（车辆相关技术），L03-A02B（非金属导体-碳和石墨），J01-E02（废气处理），HO9-C（利用固体含碳材料生产炉煤气、水煤气和合成气），D04-A01K2（氧化/曝气与其他），Q73-T07（燃烧产物的处理和去除技术），此时的专利主要集中在实际利用中，例如将第一阶段所研究的碳捕集技术应用到汽车相关技术上，或者将其专利应用到废气和燃烧产物的处理之中。

第三个阶段为2018～2022年，在这一阶段主要出现的爆发词有：J01-E03（气体分离），E11-W（环保发明（成分/应用））和Q75-T09（制冷、液化），此时的研究方向比较多样，除日常生活中的环保发明进而减少碳排放，另外一种比较前沿的技术就是碳封存技术，将CO2分离并液化，并对其进行运输和存储。

（二）各领域技术专利的聚类分析

对碳捕集技术的438项专利进行可视化分析，绘制德温特手工代码共现图谱并进行聚类分析，选择其前8个聚类进行显示，最终可得聚类图如图4a，其图谱模块度值Q=0.7135，有不错的聚类效果。

对图4a进行观察，发现最大的聚类为“#0 composite absorber（复合吸附剂）”表明目前我国的碳捕集技术领域中利用化学物质进行CO2捕捉的技术专利数量较多。此外，还有利用吸附性颗粒进行二氧化碳捕集的专利技术（#5 newcalclum-based absorbent particle（基于钙元素的吸附粒子））。有不少专利在此理论基础上发明了CO2捕集装置。（#3 cartbon dioxide desorption device（二氧化碳脱附装置））。

对碳利用技术的285项专利进行可视化分析，绘制德温特手工代码共现图谱并进行聚类分析，选择其前5个聚类进行显示，最终可得其聚类图如图4b。其图谱模块度值Q=0.7938，聚类效果良好。

通过其聚类分析图4b可以看出，在我国碳利用主要有三个方面，分别是制备碳纳米材料（#0 carbon nano material），利用CO2作为空气肥料，培养微生物（#4 culturing many cells),利用CO2发生一些化学反应进行酸性气体处理。（#3 acid gas removal device）。

对碳存储技术的570项专利进行可视化分析，绘制德温特手工代码共现图谱并进行聚类分析，选择其前8个聚类进行显示，最终可得其聚类图如图4c。

对图4c进行分析，我国碳存储技术专利主要集中在碳存储容器（#0 crystallization tank（结晶罐），#4 cartoon dioxide storage tank），碳运输管道上（#6connecting pipe）以及对于CO2形态的转变（#2solid cartoon）。例如最大的聚类crystallization tank（结晶罐)，其主要用于存储结晶液态二氧化碳和液态二氧化碳。

图4 中国CCUS中碳捕集（a）、碳利用（b）和碳存储（c）专利技术聚类图

图5、图6和图7分别展示碳捕集，碳利用和碳存储专利技术各个聚类的时间线。最上方为其专利技术出现的时间点。这三张图能够明显的展示每个聚类的发展。

由图5可知，最早出现的就是利用化学复合物进行二氧化碳吸附和捕集，这一技术为二氧化碳吸附剂技术提供了理论支持，并且在该理论支撑下，发明了很多CO2分离装置。而在2018年出现的利用元素吸附粒子进行CO2捕捉的技术是目前比较新颖的专利技术，虽然其在近几年不断发展，但并没有被广泛参考和利用。

图5 碳捕集专利技术聚类时间线图

由图6可知，发现对于CO2的利用最早开始2007年，此时主要通过利用碳化反应制备一些化学物质，以及酸性气体脱除。直到2013年左右，CO2才逐渐被应用到碳纳米材料制作以及CO2作为空气肥料培养微生物。从中可以看出，目前并没有找到可以广泛的利用CO2的专利技术。

图6 碳利用专利技术聚类时间线图

由图7可知，其结晶罐的发明比较早，在2010年之前人们就开始研究存储液态CO2以及结晶CO2存储，并且找到比较好用的方法，直到2016年人们开始研究存储超临界CO2的方式，并且取得不错的效果，而对于CO2运输管道的研究也是在2016年开始。其分析结论与前文结论相符，直到2016年人们才开始重视CO2存储与运输。

图7 碳存储专利技术聚类时间线图

五、结论与未来展望

（一）结论

本文基于CiteSpace对DII数据库中专利权人所属在中国的CCUS技术专利进行统计和可视化分析，最终得到以下结论：

①我国专利权人大多分布在高等院校，我国在CCUS领域专利数前十的机构全部为高等院校。②我国CCUS专利技术起步相对较晚，其专利技术数量在2010年之后才开始稳步增长。③在碳捕集，碳利用和碳存储三个领域中，我国的碳存储专利技术数量最多也较为成熟，而碳利用领域专利技术数量最少，而且其技术研究尚不成熟，未得到广泛应用。④在碳捕集领域中，利用钙元素的吸附粒子进行CO2捕捉为新兴技术；在碳利用领域中，制备碳纳米材料，用CO2作为空气肥料培育和利用微生物是近几年兴起的技术。而在碳存储领域，目前其主要研究的是超临界CO2罐存储技术以及管道运输技术。

（二）建议

CCUS技术已经成为我国积极应对气候变化，实现“双碳”目标的重要战略选择。“十一五”阶段以来，国家，地方发布了一系列政策，大力推动了我国CCUS技术的整体布局，促进了我国CCUS技术的发展[6]。然而，与美国等西方发达国家相比，我国CCUS技术的发展仍有很大差距。基于此，根据发达国家的经验，提出以下几点建议：①加快构建并完善法律法规与相关标准体系建设；②加快制定并发布CCUS财税激励补贴政策：例如美国发布的45Q税收抵免政策；③大力推动和鼓励国内外研究机构进行合作与交流，促进我国CCUS技术的发展。

（三）未来展望

由于受到一些客观因素的影响，本文存在一定的局限性。首先，在进行文献计量分析时为了保证研究对象收集的质量和完整性，本文仅对Web of Science数据库中的德温特数据库进行检索，这势必会导致分析数据不够全面。此外，尽管其数据来源比较客观，但是由于个人对该领域的了解并没有那么深入，所以对数据的解读难免会有一些主观倾向。

在我国提出CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标之后，国家对于实现碳中和的任务越来越重视，而CCUS技术作为实现碳中和目标的主要手段，必将引起越来越多学者的关注，在该领域的发文量及其专利技术极有可能会短时间内快速增长。在接下来的研究中，首先要对多个数据库进行整合，并且及时把新产生的文献纳入研究对象，使研究对象数据更全面，更准确。其次，作者本身也应该阅读更多文献，加强与该领域学者沟通交流，让自己对该领域的认识更加全面深刻，最大可能消除其对数据解读的主观性。