鉍系氧酸鹽專利技術功效分析

詹文青 黃瀟霏

（河海大學圖書館，江蘇 南京210098）

0 引言

目前，能源危機與環境污染問題逐漸受到重視，如何使用環境友好的方式去除污染成為亟須解決的問題。鉍系光催化劑價格便宜，化學穩定性良好，能直接對太陽光響應，不需要紫外光照射，能有效降解廢水中的無機物、有機物，應用于滅菌和光解水制氫[1]，具有良好的工業化生產前景。二元鉍系材料主要包括鉍和其他金屬/非金屬組成的復合氧化物，如鎢酸鉍、鈦酸鉍、碳酸氧鉍、磷酸鉍等。這些復合氧化物獨特的電子構型及優異的光學性質使其在光催化領域的應用甚為廣泛，研究者們已相繼觀察到該類化合物在光催化產氫、CO2還原、有機物降解、醫藥廢水降解、重金屬離子還原等方面都表現出了優越的光催化性能，并利用不同的制備方法實現形貌調控、摻雜和復合等手段來進一步提高它們的可見光催化活性[2]。

在鉍系光催化技術專利分析方面，已有學者針對二氧化鈦光催化技術的中國專利情報分析[3]，對氯氧化鉍光催化劑專利技術演進進行了分析[4]，尚未對污水污水處理領域鉍系金屬/非金屬氧酸鹽專利技術功效布局進行研究，所以本文以incoPat專利數據庫為數據來源，分析該技術領域專利技術功效，為我國鉍系金屬/非金屬氧酸鹽技術的專利布局提供參考。

1 專利檢索

本文專利數據來源于incoPat專利數據庫，檢索日期為2020年6月19日，檢索關鍵詞與主要分類號包括：光催化、光觸媒、光解水、光降解、可見光、太陽光、太陽能光、禁帶寬度、帶隙、價帶、導帶、能隙、能帶隙、異質結、鎢酸鉍、釩酸鉍、礬酸鉍、鈦酸鉍、鉬酸鉍、鈮酸鉍、鐵酸鉍、硒酸鉍、鉭酸鉍、硅酸鉍、錫酸鉍、鍺酸鉍、鎵酸鉍、鋅酸鉍、碳酸氧鉍、磷酸鉍、Bi2WO6、BiVO4、Bi4V2O11、Bi4Ti3O12、Bi12TiO20、Bi20TiO32、Bi2Ti2O7、Bi2MoO6、Bi4MoO9、Bi2Mo3O12、Bi3NbO7、BiNbO4、Bi4NbO8Br、BiFeO3、Bi25FeO40、Bi2Fe4O9、Bi2SeO5、Bi3TaO7、BiTaO4、Bi12SiO20、Bi2SiO5、Bi2O2SiO3、Bi2Sn2O7、Bi12GeO20、Bi24Ga2O39、Bi2ZnWO7、Bi2O2CO3、BiPO4、分解水、裂解水、水污染、水凈化、凈水、廢水、污水、廢液、飲用水、水系統、水質、C02F1/30。經過人工清洗與申請號合并所得的專利596件。

2 技術功效分析

技術功效分析是對專利技術內容進行深層分析的有效方法，其按照特定技術領域專利的技術與功效兩個維度構建矩陣圖，清晰地展示出特定技術領域的技術密集區、稀疏區和空白區。本文通過技術功效分析的方法梳理污水處理領域鉍系金屬/非金屬氧酸鹽的中國專利技術、功效情況，如圖1所示。

由圖1可知，目前污水處理領域鉍系金屬/非金屬氧酸鹽中國專利技術主要在于光催化劑的制備與污水降解，在技術方面，包括共沉淀法、復合、異質結、微波輔助法、摻雜、水熱法、溶劑熱法、溶膠凝膠法、離子交換法、負載、超聲輔助法、靜電紡絲法、原位生成、煅燒等。專利技術表現如下：（1）單一的鉍系金屬/非金屬氧酸鹽光催化效果有限，通常以復合的方式，或者異質結的方式來提高光催化性能，異質結指的是兩種不同的半導體相接觸所形成的界面區域。如專利“一種釩酸鉍、三氧化二鐵和鐵酸鋅三元異質結構納米纖維光催化劑及制備方法”（CN111229241A）以釩酸鉍、三氧化二鐵和鐵酸鋅三元異質結構作為光催化劑。（2）在光催化劑中摻雜過渡金屬、貴金屬、稀土金屬、非金屬等，比如Fe、Cu、Ag等，來提高光催化活性，當摻雜Fe時，光催化結束時可通過磁體吸附，方便回收來提高重復利用能力。（3）光催化劑制備方法上，水熱法、溶劑熱法、超聲法較為集中，靜電紡絲、共沉淀等技術較少。

圖1 技術功效圖

在功效方面，鉍系金屬/非金屬氧酸鹽表現如下：（1）降解的污染類型，如降解有機物苯酚、雙酚A等，降解印染廢水中的羅丹明B、亞甲基藍、亞甲基橙等，降解醫藥廢水中的四環素、環丙沙星等，對于引起水體富營養化的微囊藻毒素也有降解作用；（2）在制備工藝上功效較為集中，體現為制備復雜性降低、制備的溫度溫和、環境友好而不產生制備的二次污染、周期短、成本低廉、材料易得且來源廣泛，從而降低能源消耗、提高工業化生產等；（3）在光催化劑形貌上，形貌可控、尺寸均勻、比表面積增大，從而提供更多的活性位點，使得光催化劑能接觸充分；（4）光生電子方面，功效表現為光生電子—空穴復合率降低、光生電子—空穴分離效率提高、電子傳輸速率提高、電子壽命提高等；（5）光吸收上，表現在光響應范圍擴大、光吸收能力提高等；（6）光催化性能上，表現為易于回收，從而使得重復利用率提高、穩定性提高、安全性提高、反應速度提高、光催化活性與效率提高等。

綜合技術功效來看，對于各種技術來說，主要的功效在于光催化劑制備工藝復雜性與控制成本降低，通過改變形貌增大比表面積、降解羅丹明B以及抗生素、強調光催化劑的重復利用；在光催化性能上，注重光催化活性的提高。技術功效圖的稀疏及空白區通過靜電紡絲法、共沉淀法等制備光催化劑，提高光催化劑的分散性、縮短制備周期等，對于降解污染物的多元化也有待進行進一步的專利布局。

3 結語

通過對我國污水處理領域鉍系金屬/非金屬氧酸鹽專利技術功效進行分析，可得到以下結論：污水處理領域鉍系金屬/非金屬氧酸鹽光催化技術主要應用于降解印染廢水（降解羅丹明B、甲基橙等）、醫藥廢水（降解四環素、環丙沙星等）、重金屬廢水（六價鉻等），水熱法、溶劑熱法、超聲法等技術較為集中，功效上還是較多地集中在制備簡單化、降低光生電子—空穴復合率、提高光催化活性上。在以后的專利布局上，可以多參考靜電紡絲法、共沉淀法等制備光催化劑，提高光催化劑的分散性、縮短制備周期等。