CN110227443A - 一种量子点铋基光催化复合材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种量子点铋基光催化复合材料、制备方法及应用,制备方法为:将(NH4)6Mo7O24·4H2O和Bi(NO3)3·5H2O分别溶解于HNO3水溶液中;搅拌条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌,然后用碱性水溶液调节溶液的pH值至7.5‑8.5,得到混合液,钼酸铵与硝酸铋的摩尔比为0.32‑0.38:5;将混合液在150‑170℃下进行水热反应;然后将所得产物离心分离,水洗至中性,干燥,得到复合材料。本发明的复合材料中Bi3.2Mo0.8O7.5为量子点,Bi3.2Mo0.8O7.5占复合材料的质量比小于0.1wt%。本发明还提供一种复合材料在催化分解水制氢和降解有机污染物中的应用,复合材料具有极大的光吸收性能、光催化活性和稳定性。
Description
技术领域
本申请属于光催化技术领域,尤其是涉及一种量子点铋基光催化复合材料、制备方法及应用。
背景技术
自1972年Fujishima和Honda发现利用紫外光照射TiO2电极能够分解水产生氢气和氧气及1977年Bard提出可利用半导体光催化反应处理工业废水中的有害物质以来,如何构建高效的光催化体系,提高太阳能光催化分解水制氢和降解有机污染物效率成为了学术界关注的重点。为了实现光电催化反应较高的转换效率,光催化材料应该具有较高的光吸收效率和量子转换效率。因此研究和开发新的光催化材料已成为目前国内外研究的热点。
目前报道的光催化材料大多效率低,带隙宽度较大,只能在紫外光区域显示光化学活性,如二氧化钛一直是光催化降解有机物的研究热点,二氧化钛光激发产生的电子和空穴非常容易复合,大大降低了光量子效率,并且由于其带隙能太大(>3.2eV),只能对太阳光中少量的紫外光做出反应,而不能对可见光很好的吸收,而在太阳光谱中,紫外光谱段只占不到4%,而可见光谱段约占43%,这些都在很大程度上限制了TiO2的应用。
为了更利用可见光,带隙能较小的光催化相继被报道,如氧化铋、钨酸铋和钼酸铋等大部分铋系半导体光催化剂具有良好的可见光催化活性,能够有效地降解有机污染物,具有良好的发展前景。相对于氧化铋和钨酸铋来说,钼酸铋是最有发展前景的光催化剂,这是由于钼酸铋的带隙能为2.5eV左右,有利于吸收可见光中波长更大的光,更有效的利用可见光,但其仍然存在光生电子-空穴容易再结合的问题,致使其量子效率较低,这成为制约该材料光催化活性大幅提高的瓶颈,很难实现光催化产业化发展。因此,必须采取一定的措施来提高光生电子迁移效率,有效的限制电子-空穴再结合,提高其可见光光催化活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为解决现有技术中的钼酸铋光催化剂的量子效率较低,光催化活性不足的技术问题,从而提供一种量子点铋基光催化复合材料、制备方法及应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种量子点铋基光催化复合材料的制备方法,步骤如下:
S1:将(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解于HNO3水溶液中,搅拌均匀,得到钼酸铵溶液;并将Bi(NO3)3·5H2O溶解于HNO3水溶液中,搅拌均匀,得到硝酸铋溶液;
S2:搅拌条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌,然后用碱性水溶液调节溶液的pH值至7.5-8.5,得到混合液,所述钼酸铵与硝酸铋的摩尔比为0.32-0.38:5;
S3:将混合液在150-170℃下进行水热反应;
S4:水热反应结束后,将所得产物离心分离,水洗至中性,干燥,得到Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6量子点铋基光催化复合材料。
优选地,S1步骤中,所述HNO3水溶液的浓度为1-2mol·L-1,(NH4)6Mo7O24·4H2O与HNO3的摩尔比为0.007-0.011:1,Bi(NO3)3·5H2O与HNO3的摩尔比为1:6-10。
优选地,S1步骤中,搅拌均匀的方法为磁力搅拌20-40min。
优选地,S2步骤中,所述碱性水溶液的pH大于11。
进一步,所述碱性水溶液为浓度为7%-10%的氨水或浓度为0.8-1.2M的NaOH溶液。
优选地,S2步骤中,搅拌方法为磁力搅拌,滴加完成后继续搅拌20-40min,使用碱性水溶液调节溶液的pH值至7.5-8.5后,继续磁力搅拌50-70min。
优选地,S3步骤中,水热反应的时间为20-28小时,所述水热反应在带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行,混合液体积占反应釜容积的比例不大于4/5。
优选地,S4步骤中,干燥温度为40~80℃,干燥时间为6-10h。
本发明还提供一种由上述方法制备的量子点铋基光催化复合材料,其化学式为Bi3.2Mo0.8O7.5-Bi2MoO6,由立方相的Bi3.2Mo0.8O7.5和正交相的Bi2MoO6通过相结连接构成的异质结结构,所述Bi3.2Mo0.8O7.5为量子点,Bi3.2Mo0.8O7.5占Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6的质量比小于0.1wt%。
本发明还提供一种上述量子点铋基光催化复合材料在催化分解水制氢和降解有机污染物中的应用。
本发明的有益效果是:
(1)本发明通过原位水热法一步合成量子点异质结结构的铋基光催化复合材料(Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6),其操作简单、生产成本低廉、合成的产率高、纯度高、重复性好,适合扩大化生产的要求;复合材料中Bi3.2Mo0.8O7.5为量子点,Bi3.2Mo0.8O7.5是Mo原子取代δ-Bi2O3萤石结构中的Bi原子,具有特殊的晶体和电子结构,可以激发更多的电子空穴,大大提高了材料的量子效率和光吸收性能。
(2)本发明的量子点铋基光催化复合材料具有良好的光催化降解有机污染物的效果,在可见光照射下,复合材料对有机污染物的降解率远大于单一材料的降解率,并且经过6次循环使用后仍然具有较高的光催化活性和稳定性,为光降解有机污染物提供了新型光催化剂的源泉。
(3)将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,加入顺序加入方式极大影响了复合材料的性质,使得制备出的光催化复合材料为量子点异质结结构,具有极大的光吸收性能、光催化活性和稳定性,若将钼酸铵溶液加入到硝酸铋溶液中会出现其它物相,制备出的材料性能比较差。
(4)将Bi(NO3)3·5H2O和(NH4)6Mo7O24·4H2O两者均溶在HNO3水溶液中,可以使硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中后以及用碱性水溶液调节溶液的pH之前不产生沉淀,进一步保证了制备出的光催化复合材料为量子点异质结结构,使其具有极大的光吸收性能、光催化活性和稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的XRD谱图;
图2是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的拉曼光谱图;
图3是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的SEM(a-c),TEM(SAED内插图)(d-f)和复合材料的TEM(g)和HRTEM(h)图;
图4是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的紫外可见漫反射图;
图5是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的在0.10mol·L-1Na2SO3溶液中的荧光光谱;
图6是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的光降解罗丹明(BRhB)的性能图;
图7是实施例1、对比例1和对比例2制得的样品的循环降解实验显示图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种量子点铋基光催化复合材料的制备方法,步骤如下:
S1:将(NH4)6Mo7O24·4H2O(0.36mmol)超声溶解在20mL HNO3水溶液(2mol·L-1)中,磁力搅拌30min,得到钼酸铵溶液;并将Bi(NO3)3·5H2O(5mmol)超声溶解在20mL HNO3溶液(2mol·L-1),磁力搅拌30min,得到硝酸铋溶液;
S2:在磁力搅拌的条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌30min,然后用1M的NaOH溶液调节溶液的pH值至8,继续磁力搅拌60min,得到混合液;
S3:将混合液转移到带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在160℃下水热反应24小时,所述混合液体积占反应釜容积的2/3;
S4:水热反应结束后,将反应液冷却至室温,将所得产物离心分离,水洗至中性,在60℃下干燥8小时,即可得到Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6量子点铋基光催化复合材料。
实施例2
本实施例提供一种量子点铋基光催化复合材料的制备方法,步骤如下:
S1:将(NH4)6Mo7O24·4H2O(0.14mmol)超声溶解在20mL HNO3水溶液(1mol·L-1)中,磁力搅拌20min,得到钼酸铵溶液;并将Bi(NO3)3·5H2O(2mmol)超声溶解在20mL HNO3溶液(1mol·L-1),磁力搅拌20min,得到硝酸铋溶液;
S2:在磁力搅拌的条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌20min,然后用7%的氨水调节溶液的pH值至7.5,继续磁力搅拌50min,得到混合液;
S3:将混合液转移到带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在160℃下水热24小时,所述混合液体积占反应釜容积的1/2;
S4:水热反应结束后,将反应液冷却至室温,将所得产物离心分离,水洗至中性,在40℃下干燥10小时,即可得到Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6量子点铋基光催化复合材料。
实施例3
本实施例提供一种量子点铋基光催化复合材料的制备方法,步骤如下:
S1:将(NH4)6Mo7O24·4H2O(0.33mmol)超声溶解在20mL HNO3水溶液(1.5mol·L-1)中,磁力搅拌40min,得到钼酸铵溶液;并将Bi(NO3)3·5H2O(5mmol)超声溶解在20mL HNO3溶液(1.5mol·L-1),磁力搅拌40min,得到硝酸铋溶液;
S2:在磁力搅拌的条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌40min,然后用10%的氨水调节溶液的pH值至8.5,继续磁力搅拌70min,得到混合液;
S3:将混合液转移到带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在160℃下水热24小时,所述混合液体积占反应釜容积的4/5;
S4:水热反应结束后,将反应液冷却至室温,将所得产物离心分离,水洗至中性,在80℃下干燥6小时,即可得到Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6量子点铋基光催化复合材料。
对比例1
本对比例提供一种光催化材料的制备方法,该方法在S2步骤中用1M的NaOH溶液调节溶液的pH值至6,其它实验条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种光催化材料的制备方法,该方法在S2步骤中用1M的NaOH溶液调节溶液的pH值至10,其它实验条件与实施例1相同。
效果例1
本效果例使用扫描电子显微镜对实施例1、对比例1和对比例2制得的产品的形貌进行了表征,如图1所示,实施例1、对比例1和对比例2制得的产品的衍射峰强度较大且峰形尖锐,这表明水热法制备的样品具有良好的结晶度;对比例1得到的产品衍射峰与γ-Bi2MoO6标准卡片(JCPDS 21-0102)完全吻合,这证明了该样品为单一组分的Bi2MoO6;实施例1得到的产品除了γ-Bi2MoO6的衍射峰之外,还出现了立方相Bi3.2Mo0.8O7.5(与Bi3.2Mo0.8O7.5标准卡片JCPDS 77-0301完全吻合)的特征衍射峰,这表明样品中含有Bi3.2Mo0.8O7.5和γ-Bi2MoO6两种晶体材料;对比例2得到的产品无正交γ-Bi2MoO6的特征衍射峰,其衍射峰与Bi3.2Mo0.8O7.5标准卡片(JCPDS 77-0301)完全吻合,这证明了该样品为单一组分的Bi3.2Mo0.8O7.5。这说明了γ-Bi2MoO6到Bi3.2Mo0.8O7.5的相转变过程受到混合液pH的影响,酸性条件有利于γ-Bi2MoO6的形成,而碱性介质更有利于形成Bi3.2Mo0.8O7.5材料。当溶液的酸碱度适宜的情况下,该方法能够获得Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6复合材料。
效果例2
本效果例通过拉曼光谱给出了实施例1、对比例1和对比例2制得的产品的微观结构信息,进一步揭示了晶体内部原子所处的电场环境,如图2所示,对比例1制得的正交γ-Bi2MoO6材料的光谱中的850、803和723cm-1三个特征峰,对应于[MoO6]八面体结构的拉伸振动;而对比例2制得的Bi3.2Mo0.8O7.5材料的拉曼光谱中880、813和321cm-1处的特征峰应归属于[MoO4]拉伸运动和[MoO4]四面体物质的O-Mo-O弯曲运动;值得关注的是,实施例1制得的复合材料的拉曼光谱同时可以观察到[MoO4]和[MoO6]物质的振动峰,这表明制备的样品中Bi3.2Mo0.8O7.5和γ-Bi2MoO6共存。与单一组分的Bi3.2Mo0.8O7.5和Bi2MoO6的拉曼谱图相比,Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6异质结构的[MoO4]四面体和[MoO6]八面体的拉伸振动峰有轻微偏移,这是复合材料两组组分接触界面处原子所处的化学环境变化引起的。
效果例3
为了研究Bi3.2Mo0.8O7.5的加入对γ-Bi2MoO6材料结构的影响,本效果例对实施例1、对比例1和对比例2制得的产品进行了SEM和TEM表征,如图3所示,结果发现对比例1制备的γ-Bi2MoO6的纳米片状结构尺寸大约在800nm和3.0μm之间(如图3a和3d所示);而实施例1制备的Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6异质结主要由纳米片和纳米球颗粒两种不同的形态组成,如图3b、3g所示,且选区电子衍射图(SAED)和高分辨电镜(HRTEM)图像分别显示了清晰的衍射斑点和晶格边缘,其中沿着[010]方向取得的SAED(图3e的插图)证明了该样品含有两种不同的晶相,(200)和(002)晶面之间的夹角为90.0°,这与正交γ-Bi2MoO6的晶体结构一致,同时,SAED图中(020)和(060)晶面的衍射峰明显增强,证明了γ-Bi2MoO6沿(010)面择优生长,Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6异质结构的HRTEM图像显示了晶格间距d为0.325nm和0.308nm,其分别对应于立方晶相Bi3.2Mo0.8O7.5的(111)晶面和正交γ-Bi2MoO6(131)晶面(见图3h)。值得注意的是,对比例2制备的纯相的Bi3.2Mo0.8O7.5材料为60至150nm的不规则球形纳米粒子,沿纳米球的[111]方向测得的电子衍射图(图3f的插图)为正六边形,这说明该材料为单晶立方结构的Bi3.2Mo0.8O7.,,但是,修饰在Bi2MoO6材料表面的Bi3.2Mo0.8O7.5粒子直径约为4-6nm,将具有量子点的特殊性能。
效果例4
为了进一步研究Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6复合材料光催化活性增强的原因,本效果例对实施例1、对比例1和对比例2制得的产品进行了光电化学性能的测试,实施例1制得的Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6异质结构以及对比例1制得的Bi2MoO6和对比例2制得的Bi3.2Mo0.8O7.5的光学性质可以通过紫外可见漫反射吸收光谱表征,如图4所示,异质材料展现出了良好的紫外和可见光(=<475nm)吸收能力,与Bi3.2Mo0.8O7.5相比,异质结的可见光吸收显著增加,但略低于纯Bi2MoO6。此外,复合材料具有陡峭的吸收带边说明了可见光吸收产生的载流子是带隙跃迁,而非杂质产生的。
另外,根据吸收边(Ahυ)与hυ的线性关系可以确定样品的带隙能量(Eg),如图4内插图。Bi2MoO6,Bi3.2Mo0.8O7.5和Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6复合材料的Eg值分别为2.64,2.95和2.70eV。与单一组分Bi2MoO6材料相比,Bi3.2Mo0.8O7.5QDs修饰的Bi2MoO6材料的具有较大的带隙,这说明了复合材料具有更负的导电位置和更正的价带位置,更加有利于氧化还原反应的进行。
效果例5
本效果例给出了实施例1、对比例1和对比例2制得的产品的荧光光谱,如图5所示,与对比例2制得的Bi3.2Mo0.8O7.5和对比例1制得的Bi2MoO6相比,Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6材料具有最低的光致发光强度,这表明Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6异质结构的形成可以有效抑制光生电荷复合,进而提高材料的光催化性能,这可能是因为Bi3.2Mo0.8O7.5QDs本身具有较大的比表面积,其表面结构的扭曲使得电子和空穴在同一方向上的传输效率不同,进而促进了光生电子空穴的分离效率,增强了材料的光催化活性。此外,Bi3.2Mo0.8O7.5/Bi2MoO6异质界面产生的内结电场对光生载流子的分离和迁移也具有促进作用。
效果例6
本效果例将实施例1、对比例1和对比例2制得的产品对可见光降解染料罗丹明B(RhB)的催化活性进行了研究,具体是:在可见光(λ>420nm)照射下,分别使用0.01g实施例1、对比例1和对比例2制得的产品对100毫升20mg/L(浓度C0)的罗丹明B(RhB)溶液进行光降解,图6显示了在可见光条件下含有不同样品的RhB溶液中RhB的降解率(C/C0)与光照时间的关系;同时,在相同的条件下,以不含催化剂的RhB溶液进行对照,显然,RhB溶液在可见光照射下的自身降解速率可以忽略不计。在制备的所有材料中,实施例1制备的Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6光催化剂上的光催化活性最高,可在180min内完全矿化RhB染料;而同一条件下的对比例2制备的Bi3.2Mo0.8O7.5和对比例1制备的Bi2MoO6材料在180min内仅能够降解20%和12%的RhB。
此外,通过计算所得的Bi2MoO6和Bi3.2Mo0.8O7.5材料的表观速率常数分别为6.01×10-4min-1和9.97×10-4min-1,而Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6复合材料的表观速率常数为1.36×10-2min-1,分别是单一组分Bi2MoO6和Bi3.2Mo0.8O7.5的24倍、15倍。总之,Bi3.2Mo0.8O7.5QDs修饰的Bi2MoO6材料的光催化性能有了很大的提升,这证明了Bi3.2Mo0.8O7.5QDs的量子尺寸效应等特殊性能以及异质结构的形成对体相材料有着巨大的影响。
效果例7
基于催化剂应用成本的考虑,光催化剂的化学和物理稳定性是一个非常重要的方面。因此,本效果例通过5次重复实验证实实施例1制备的Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6异质结构的材料稳定性,如图7所示,使用0.01g实施例1制得的产品对同样浓度同样体积(20mg/L,100毫升)的RhB溶液经过五次光降解完成后,复合材料仍然具有优异的光催化降解效率和稳定的晶体结构,这说明Bi3.2Mo0.8O7.5QDs修饰的Bi2MoO6光催化剂稳定性良好,其中图7的纵坐标C/C0为在可见光条件下含有实施例1制得的产品的RhB溶液中RhB在不同光照时间下的浓度C与RhB溶液初始浓度C0的比值。
以上述依据本申请的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
S1:将(NH4)6Mo7O24·4H2O溶解于HNO3水溶液中,搅拌均匀,得到钼酸铵溶液;并将Bi(NO3)3·5H2O溶解于HNO3水溶液中,搅拌均匀,得到硝酸铋溶液;
S2:搅拌条件下,将硝酸铋溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中,滴加完成后继续搅拌,然后用碱性水溶液调节溶液的pH值至7.5-8.5,得到混合液,所述钼酸铵与硝酸铋的摩尔比为0.32-0.38:5;
S3:将混合液在150-170℃下进行水热反应;
S4:水热反应结束后,将所得产物离心分离,水洗至中性,干燥,得到Bi3.2Mo0.8O7.5 QDs-Bi2MoO6量子点铋基光催化复合材料。
2.根据权利要求1所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,S1步骤中,所述HNO3水溶液的浓度为1-2mol·L-1,(NH4)6Mo7O24·4H2O与HNO3的摩尔比优选为0.007-0.011:1,Bi(NO3)3·5H2O与HNO3的摩尔比优选为1:6-10。
3.根据权利要求1或2所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,S1步骤中,搅拌均匀的方法为磁力搅拌20-40min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,所述碱性水溶液的pH大于11。
5.根据权利要求4所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,所述碱性水溶液为浓度为7%-10%的氨水或浓度为0.8-1.2M的NaOH溶液。
6.根据权利要求1-5任一项所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,S2步骤中,搅拌方法为磁力搅拌,滴加完成后继续搅拌20-40min,使用碱性水溶液调节溶液的pH值至7.5-8.5后,继续磁力搅拌50-70min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,S3步骤中,水热反应的时间为20-28小时,所述水热反应在带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行,混合液体积占反应釜容积的比例不大于4/5。
8.根据权利要求1-7任一项所述的量子点铋基光催化复合材料的制备方法,其特征在于,S4步骤中,干燥温度为40~80℃,干燥时间为6-10h。
9.一种权利要求1-8任一项所述的方法制备的量子点铋基光催化复合材料,其特征在于,其化学式为Bi3.2Mo0.8O7.5-Bi2MoO6,由立方相的Bi3.2Mo0.8O7.5和正交相的Bi2MoO6通过相结连接构成的异质结结构,所述Bi3.2Mo0.8O7.5为量子点,Bi3.2Mo0.8O7.5占Bi3.2Mo0.8O7.5QDs-Bi2MoO6的质量比小于0.1wt%。
10.一种权利要求9所述的量子点铋基光催化复合材料在催化分解水制氢和降解有机污染物中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190913 |
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