本报告以电解水制氢为主题，在定性资料调研和专家咨询的基础上，利用文献数据库，采用由面到点、由浅入深的分析思路对电解水制氢研究的整体国际研究态势和技术主题进行了分析，旨在分析目前该领域的国内外研究现状及技术热点，从而进一步展示中国在电解水制氢领域内的研发现状。
研究前沿态势分析
为检索出与“电解水制氢”相关的研究与综述论文，根据专家提供的检索词，构建检索策略1，在ISI Web of Science-SCI 数据库中，按照文献类型Article和Review进行筛选，共获得37726篇论文（检索时间2020年6月）。检索出的数据采用Excel、Derwent Data Analyzer（DDA）等工具进行分析。
1. 研究产出基本情况分析
1.1 研究趋势分析
纵观电解水制氢研究SCI论文年代分布（见图1），国际上从20世纪90年代开始系统地研究电解水制氢问题，在1990年之前，有关电解水制氢的研究零星开展。例如，1921年，瑞士化学学报刊登了有关“水电解和氢氧气体链”的研究成果。2013年后，该领域的年均发文量突破1000篇，每年的发文量以25%左右的增长率增长，全球关于电解水制氢的研究已具备相当规模且发展迅速。
图1 电解水制氢研究SCI论文年代分布
1.2 国家（地区）分布
全球共有近130个国家和地区开展了电解水制氢的研究，其前二十位的国家排名见下图（图2）。发文量前十位的国家分别是中国、美国、韩国、日本、德国、印度、澳大利亚、英国、新加坡、加拿大，上述前十位的国家和地区在水电解制氢技术研究中的发文量占总量的70%以上。
从国家角度看，中国在该主题的研究中占有绝对优势，其发文量约占全部论文的34.25%。除中国的发文量超过10000篇外，美国发文量在6000篇左右；韩国、日本和德国在2000篇左右；印度、澳大利亚、英国、新加坡发文量在1000篇左右，与中国形成较大差距。
图2 电解水制氢研究SCI论文国家（地区）分布
1.3 机构分布
1.3.1 全球机构分布情况
全球发表的关于电解水制氢的研究论文涉及的前二十位机构发文量均在290篇以上，有6个机构的发文量超过500篇（见表1)。在这些排名前二十位的机构中，除第四名、第十六名来自新加坡、第九名来自日本、第19名来自美国以外，其余机构均属于中国。发文量排名前五位的机构，依次是中国科学院（Chinese Acad Sci）、中国科学院大学（Univ Chinese Acad Sci）、中国科技大学（Univ Sci & Technol China）、南洋理工大学（Nanyang Technol Univ）、天津大学（Tianjin Univ）。其中，中国科学院的发文量为2592篇，处于该研究领域的第一研究梯队；中国科学院大学、中国科技大学、南洋理工大学、天津大学、清华大学发文量超过500篇，处于第二研究梯队；苏州大学、北京化工大学、东京大学、吉林大学的发文量均在400 篇以上，处于该研究领域的第三研究梯队。哈尔滨工业大学、南京大学、西安交通大学、北京大学、中山大学、新加坡国立大学、上海交通大学、山东大学、斯坦福大学的发文量均在300篇以上，处于该研究领域的第四研究梯队。中南大学、复旦大学的发文量为290 篇，处于该研究领域的第五研究梯队。
表1 电解水制氢研究SCI论文全球研究机构分布情况
1.3.2 中国机构分布情况
在电解水制氢研究SCI论文中，中国有17家研究机构进入全球机构排名前二十位。在国内排名前二十位研究机构中（见表2），除中国科学院外，其他19家单位均为高校。从研究机构的发文数量看，中国电解水制氢领域前二十位的研究机构发文量均在270篇以上。其中，在中国科学院各研究所在电解水制氢领域开展了广泛的研究，中国科学院以2592篇SCI论文的发文量，遥遥领先于其他机构。
表2 电解水制氢研究SCI论文中国研究机构分布情况
1.3.3 机构合作情况分析
通过分析该领域内发文量前20位机构之间的合作关系发现，在电解水制氢研究领域内，各国的研究机构之间开展了广泛的合作，除了与本国的研究机构合作开展研究外，国际合作也以广泛开展（见图3-5）。
图3 电解水制氢研究机构合作分布
图4 中国科学院机构合作情况 图5 南洋理工大学机构合作情况
• 中国的研究机构以中国科学院为代表，该机构与中国科学院大学、中国科技大学、天津大学、清华大学、北京化工大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、南京大学、北京大学、中山大学、山东大学、苏州大学、中南大学等国内高校开展了密切的合作研究，其中合作发文最多的机构为中国科学院大学，两个机构合作发表论文559篇。在国际合作上，中国科学院与南洋理工大学、新加坡国立大学、东京大学等国外高校合作研究，其中与南洋理工大学合作发表论文23篇。
• 南洋理工大学在电解水制氢方面论文发文数量排名第四。在机构合作方面，与新加坡国立大学合作发文25篇。同时，该机构也分别与与中国科学院大学、中国科技大学、天津大学、清华大学、北京化工大学、哈尔滨工业大学、南京大学、北京大学、苏州大学、东京大学展开了密切合作。其中，中国科学院、天津大学与南洋理工大学三所大学共同合作发表了10篇论文。
1.4 期刊分布
该主题发表论文涉及的期刊超过1740种，主要集中在能源与燃料、化学、材料科学、物理化学、催化等研究领域。就期刊来源看，发文量前十位的10种期刊（见表3）中有英国和美国各有4本出版发行的刊物，荷兰出版的刊物有2种由。发文量最多的前五种期刊分别是：INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY (2893篇)、JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A (1697篇)、ELECTROCHIMICA ACTA (1524篇)、ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES (1145篇) 和JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C (859篇)。在发文量前十位的期刊中， 影响因子最高的期刊为荷兰出版的《APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL 》杂志， 影响因子为16.6832。该刊作为环境工程领域顶级刊物，创办于1981年，主要刊登与环境相关的催化科学问题的研究，杂志内容涵盖催化消除环境污染物、污染削减过程中催化作用的基本原理、废物利用转化过程中的催化反应、环境友好光催化剂、光催化过程的基本科学问题等。
表3 电解水制氢研究SCI论文发表期刊分布情况
1.5 高被引论文
在电解水制氢研究领域的高被引论文前二十位论文的国家/ 地区分布中（见表4），美国共有11篇论文，中国有4篇论文，日本有2篇论文，澳大利则、马来西亚、新加坡各有1篇。其中，在论文的引用频次上，引用次数最高的为美国的Walter, Michael G. 于2010 年在《CHEMICAL REVIEWS 》杂志上发表的论文，该论文讨论了太阳能电解水的相关问题，至今已被60多个国家和地区超过2000家机构引用，引用次数为5740次。在电解水制氢研究领域，中国发表的论文中有四篇高被引论文，第一篇论文是吉林大学邹晓新教授等2015年发表在《CHEMICAL SOCIETY REVIEWS 》上的有关无贵金属电催化剂的合成，特别是纳米级的无贵金属电催化剂及其在析氢反应中的催化性能，该文被引用2209次，排名第九位。另外一篇是苏州大学刘娟博士等在《科学》杂志上发表论文，介绍了团队研制出的碳基高效光解水催化剂。该文被引用2121次，排名第十二位。此外还有武汉理工大学发表的两篇论文。综合来看，中国在电解水制氢研究中虽然已产出大量研究成果，但是在该研究领域的影响力及被关注度需进一步加强。
表4 电解水制氢研究SCI热点论文
2. 国家（地区）被引频次分析
对全球发表的关于电解水制氢研究论文的被引频次进行分析，以国家进行累积加和，并计算其篇均被引频次（表5）。总被引次数和篇均被引次的高低说明研究的影响力大小，其中，总被引次数表示国家在该研究领域的影响力，篇均被引次数表示发表论文的被关注的程度。
表5 电解水制氢SCI论文国家/地区被引情况
从被引总频次来看，前十位依次是中国、美国、日本、德国、澳大利亚、新加坡、韩国、英国、沙特阿拉伯、瑞士和加拿大。中国总被引频次达533914次，领先于其它国家；其篇均被引频次为32.12，同样排在世界第十四位，论文影响力落后于美国、西班牙、英国、瑞士、意大利、加拿大、法国、等欧美国家。美国的发表论文数量虽然远低于中国，排名第二位，但是该国发表论文的篇均被引频次达64.53，排名第一。
以发文量前10位国家的国家名称、发文量和及其篇均被引频次三个指标作气泡图，气泡大小表示篇均被引频次高低（见图6）。由图可以直观看出，相对于欧洲发达国家，亚洲中国、韩国、日本、印度、新加坡等国家的论文的篇均被引频次相对较低。
图6 电解水制氢SCI论文前10位国家发文量-篇均被引频次分析
3. 研究主题分析
3.1 研究主题关键词分析
根据检索出的文献，通过TDA分析工具对关键词进行分析，排除无效概念，得到关于电解水制氢研究所涉及的高频关键词。将主题关键词分为四类，即电解水制氢的反应原理、催化、电极材料和结构四个研究方向，分别进行筛选、聚类及相关性分析，得出各主题之间的相互关系，以及热点主题（见表6）。其中，电解水制氢的反应原理主要有水分离、析氢反应、析氧反应、氧化还原反应、密度泛函理论、电沉积等电解水制氢所需的相关反应；催化是指电催化作用、电催化剂、光催化作用、光催化剂、多相催化、光电催化等催化有关的概念；电极材料包括二氧化钛、氧化钴、磷化钴、二硫化钼、碳化钼、铂、钌、石墨烯、氧化铱、钙钛矿等；结构主要与纳米结构、纳米粒子、纳米片、纳米复合材料、纳米线、二维材料、核壳结构等有关。
表6 电解水制氢研究领域主题频词分析
3.2 研究主题相关性分析
将主题关键词进行筛选、聚类后，进行相关性分析，获得电解水制氢主题分析图。目前，关于电解水制氢的研究内容主要集中在电解水制氢相关反应、催化材料、光电化学和结构四个方面。
• 在电解水制氢相关反应研究上：析氢反应（Hydrogen evolution reaction、Hydrogen evolution）、析氧反应（Oxygen evolution reaction、Oxygen evolution）、电催化作用（Electrocatalysis）、电催化剂（Electrocatalyst）、氧还原反应（Oxygen reduction reaction）、电沉积（Electrodeposition）、有机框架（Metal-organic frameworks）、完全分解水（Overall water splitting）、双效氧电极电催化剂（Bifunctional electrocatalyst）、二硫化钼（MoS2）等关键词之间存在关联关系。阴极反应和阳极反应是水分解的两个半反应。其中，析氧反应和氧化还原反应关联最为紧密。
• 催化材料研究上：水分解（Water splitting）、光催化（Photocatalysis）、制氢（Hydrogen production）、氢（Hydrogen）、光催化剂（Photocatalyst）、电解（Electrolysis）、二氧化钛（TiO2）、可见光（Visible light）、太阳能（Solar energy）、半导体（Semiconductors）间均存在相互关联。太阳能提供了丰富的光热能源，光催化是制氢的重要技术途径。
• 光电化学研究上：光电化学（Photoelectrochemical、photoelectrochemistry） 光电阳极（Photoanode）、赤铁矿（Hematite）、光催化水分解（Photocatalytic water splitting）关键词之间关系密切；目前，光电化学是水电解制氢的主要研究方向。
• 在结构研究上：电化学（Electrochemistry）、纳米结构(nanostructures)、在半导体材料中掺杂质（Doping）、催化作用（Catalysis）、能量转换（energy conversion）等关键词之间相互关联；同时，这些关键词之间互相交叉，构成网状结构。
• 其他方面：水氧化（Water Oxidation）与光合作用 （artificial photosynthesis）与太阳能燃料（Solar fuels）两两相互关联。
3.3 关键技术时间分布
将电解水制氢研究中涉及的技术关键词（前15位） 进行时间序列分析（ 见图7）， 以了解该研究领域内关键技术的发展趋势。在这些技术研究中， 水分离（Water splitting）、析氢反应（Hydrogen evolution reaction）、电催化作用（Electrocatalysis）、氢（Hydrogen）、电解水（Water electrolysis）、电化学（Electrochemistry）、电沉积（Electrodeposition）、水氧化（water oxidation） 等技术出现较早， 从1991年即开始相关研究，相关研究一直延续至今，上述技术都是电解水制氢的研究热点。随着电解水制氢的研究深入， 光催化（Photocatalysis）、光催化剂（Photocatalyst） 开始应用于电解水制氢研究中，此后的时间中，该技术在电解水制氢研究发文量一直保持稳定；光电化学分解水（Photoelectrochemical water splitting） 等复合方法在2009年开始兴起近十年开展研究较多的新兴合成技术。
图7 电解水制氢领域研究关键技术时间分布趋势
3.4 研究主题国家分布
分析发文量前十位国家在电解水制氢相关反应、催化材料、光电化学和结构四个方面的发文量分布，了解各国在该领域内的研究重点（见图8）。整体上看，各国在电解水制氢相关反应布局的研究方向所占比重最大，其次是催化材料方面，光化学以及结构在各国的研究中占比最少。
图8 电解水制氢研究主题国家分布
从研究方向上看，中国、澳大利亚、新加坡在电解水制氢相关反应方面的研究占比均超过50%以上，其中中国发表的有关论文占比最高，达到58%。在催化材料的研究中，日本研究占比超过50%，此外英国和加拿大在催化材料研究布局超过相关反应的研究布局。在光电化学的研究中，各国布局相差不多。新加坡在结构方面的研究要大于其他国家。
从国家层面看，中国、美国、韩国、澳大利亚、新加坡在相关反应、催化材料、光电化学和结构四个研究方向布局较为一致，上述四个研究方向发文量的比重基本为5:3:1:1。德国、印度、英国、加拿大在相关反应、催化材料的研究布局相当，而日本在四个研究方向发文量的比重基本为3:5:1:1。
4. 小结
国际上从20世纪90年代开始系统地研究电解水制氢问题，在1990 年之前，有关电解水制氢的研究零星开展。2013年后，该领域的年均发文量突破1000篇，每年的发文量以25%左右的增长率增长。
全球共有近130个国家和地区开展了电解水制氢的研究，各国的研究机构之间开展了广泛的合作，除了与本国的研究机构合作开展研究外，国际合作也以广泛开展。中国在该主题的研究中占有绝对优势，排名前二十位的机构中，17 家机构均属于中国。中国在电解水制氢研究中虽然已产出大量研究成果，但是在该研究领域的影响力及被关注度需进一步加强。
目前，关于电解水制氢的研究内容主要集中在电解水制氢相关反应、催化材料、光电化学和结构四个方面。
研发情况
在Derwent Innovation（DI）数据库中3，共检索到7613条专利文献（检索时间2020年6月）。对检索出的数据采用DDA、DI 和Excel等工具进行分析，结果如下。
1. 总体情况分析
1.1 专利申请时间分布
从电解水制氢技术专利申请来看（图9），该技术最早可追溯到上世纪六十年代。进入1997年后，全球关于电解水制氢技术的专利申请量呈逐年稳步上升的态势，2015年后电解水制氢技术每年的专利申请量均超过500件，其中，2018 年专利申请量出现小高峰达到904件。申请量最多的前五位国家分别是中国、日本、美国、韩国和德国。其中，日本是最早开展电解水制氢技术相关技术研究的国家之一，1962年率先开展了电解水制氢技术研发。
图9 电解水制氢国内外专利申请时间演化图
中国自1989年开始申请相关专利，2010年后其专利年申请量超过日本，成为世界第一。中国的专利申请变化趋势与国际专利申请趋势大致相同。在电解水制氢技术研发中，中国作为该技术的新兴国家，正在快速发展。
1.2 专利申请国家（地区）分布
从专利技术的国家（地区）来源来看，中国和日本的专利技术最多，专利占比分别约为38%和26%，两国国家申请的专利占该技术领域的一半以上。从专利技术的市场分布来看，专利市场主要分布于中国、日本、美国、欧洲和韩国。从图10和图11可以看出，电解水制氢相关技术主要掌握在中国和日本手中，而该技术的应用市场集中在全球均有分布，专利市场除亚洲、北美和欧洲外，在南美洲的巴西以及大洋洲的澳大利亚均有布局。
图10 专利技术来源国家（地区）分布
图11 专利技术市场国家（地区）分布
1.3 主要专利权人分析
从检索结果看，有超过4500家机构和个人活跃在电解水制氢技术研发领域。专利申请数量位居前十五位的机构中有19家为公司（表7），且多为跨国公司，科研机构有1家，为中国科学院大连化学物理研究所。其中，来自美国的专利申请人1家，中国1家，其余18家均为日本企业。排名第一位的专利申请人为日本本田技研工业株式会社，专利申请量为172件。中国科学院大连化学物理研究所排名第七，专利申请量56件。美国悍得实业有限公司排名第十五位，专利申请量有38件。可以看出日本在电解水制氢方面有很大优势。
分析专利持有时间和新专利申请量，可以看出竞争机构对于某一技术的技术领先持续度和最新的技术发展态势。在电解水制氢技术研发领域相关专利中，分析排名前十五位机构的专利延续时间和近5年专利数量占总量的比例情况（见表7）能够看出，日本的大部分专利申请人在电解水制氢技术专利申请的延续时间超过20年，其中三菱商事专利申请持续时间为52年，株式会社日立制作所专利申请持续时间为44年，这2家机构在该技术领域具有先期的技术领先优势。
表7 电解水制氢主题的主要专利申请人
同时，电解水制氢技术研发专利中近5年申请的专利占总专利数近35%，电解水制氢技术研发持续受到关注。特别是2018年后，相关专利申请相对集中。但是，各申请机构的发展态势并不相同。例如：
• 排名第三位的三菱商事专利申请延续时间为52年（1968~2020 年），但该公司在近5年专利占其专利总量比重仅有3.31%，说明该公司在近几年减少了再电解水制氢技术的研发布局，后续创新略显不足。
• 旭化成从1985年开始申请相关专利，近五年的专利申请量占其专利总量为65.79%，为该领域为该领域内最为活跃的技术研发者并保持着较高的技术竞争力。
• 中国科学院大连化学物理研究所的专利申请延续时间为25年，是国内较早开展电解水制氢研究的机构，近5 年专利占其专利总量为50%，说明中国科学院大连化学物理研究所在该技术领域的均保持一定水平的研发创新。
• 美国悍得实业有限公司在电解水制氢领域申请专利时间较短， 申请延续时间为11年（2008~2019 年）， 其近5年专利占比为15.79%，说明该公司集中申请相关专利后，在近几年减少了再电解水制氢技术的研发布局，后续创新略显不足。
1.4 中国专利权人情况分析
中国研发机构在电解水制氢技术研发申请专利的全球排位落后于日本，尽管中国专利数量较多，但全球前十五位的专利权人仅有一家来自中国。在中国专利权人前十五位的排名中（见表8），其中有1家为企业，1家为科研机构，2位个人，其余11家均为高校。整体上看，中国的研究机构进入该技术领域时间较短（10年左右），但是保持着活跃的研发活动和技术创新力，专利申量逐年快速增长，在该技术领域具备一定的技术竞争力。
表8 电解水制氢中国专利权人情况分析
1.5 专利权人合作情况分析
在电解水制氢技术研发中（见图12），该领域的专利权人普遍以单独申请的方式进行，在前二十位的专利权人中，仅有1组4家机构开展技术研发合作，合作方式仅为两两合作，但合作数量不多。这些合作研发的机构分别是：丰田通商株式会社、旭化成、东芝公司和迪诺拉电极股份有限公司。其中，丰田通商株式会社和旭化成合作了2项专利，旭化成和东芝公司合作了1项专利，东芝公司和迪诺拉电极股份有限公司有3项专利合作。
图12 电解水制氢领域专利权人合作关系图
2. 技术主题分析
2.1 专利研发技术热点分布
根据图13绘制的技术主题分布图， 目前电解水制氢研发的专利申请内容集中在催化剂制备方法、钌、通用模型、进水口链接管道、聚合物电解质膜以及固定相等方面。专利申请的热点内容包括：催化剂制备方法（preparation method:catalyst:evolution），钌（ruthenium:metal:oxide）， 通用模型（trough: model:utility），进水口链接管道（water inlet:connect:pipe），聚合物电解质膜（polymer electrolytemembrane:polymer:electrolyte），以及固定相（stationary phase:contain:sport drink）等技术方向。
图13 电解水制氢领域专利申请布局
2.2主要国家专利技术主题分布
将电解水制氢领域的专利申请按照专利分类号进行德温特手工代码分类（见表9），在该研究领域，技术研发主要集中在电化学方法、放电过程，电解设备、电池设计，电解工艺或装置等几个方面。
表9 电解水制氢领域前10位专利分类
按照专利申请前10位的国家和前10位的专利分类技术进行专利申请国家- 德温特手工代码交叉分析。在国家与专利申请的德温特手工代码分类分析中（图14）：（1）中国在德温特手工代码分类的前10 位的技术领域中均开展了研究，其中在电化学方面申请专利相对较多，电解设备、电解工艺等方面都有所涉及。（2）日本和美国的研发分布和中国分布相似。（3）德国在电解工艺或装置方面开展研发，远远超过其他技术研发内容。（4）欧洲专利局的专利申请除电化学、放电过程较多以外，电解设备、电极的相关专利远高多余其他国家分布。
图14 电解水制氢主要国家专利申请技术主题分布
3. 小结
电解水制氢技术最早可追溯到上世纪六十年代，2015年后电解水制氢技术每年的专利申请量均超过500件，其中，2018年专利申请量出现小高峰达到904件。申请量最多的前五位国家分别是中国、日本、美国、韩国和德国。其中，日本是最早开展电解水制氢技术相关技术研究的国家之一。中国自1989年开始申请相关专利，2010年后其专利年申请量超过日本，成为世界第一。
有超过4500家机构和个人活跃在电解水制氢技术研发领域。中国研发机构在电解水制氢技术研发申请专利的全球排位落后于日本，全球前十五位的专利权人仅有一家来自中国，为中国科学院大连化学物理研究所。同时，电解水制氢技术研发专利中近5年申请的专利占总专利数近35%，电解水制氢技术研发持续受到关注。特别是2018年后，相关专利申请相对集中。
在电解水制氢技术研发中，专利权人普遍以单独申请的方式进行，在前二十位的专利权人中，仅有1组4家机构开展技术研发合作，合作方式仅为两两合作，但合作数量不多。
目前电解水制氢研发的专利申请内容集中在催化剂制备方法、钌、通用模型、进水口链接管道、聚合物电解质膜以及固定相等方面。
