CN112582617A - 一种氮硒共掺杂多孔碳球和钠离子电池负极材料及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料学技术领域,提供了一种氮硒共掺杂多孔碳球和钠离子电池负极材料及制备方法和应用,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,得到以嵌段共聚物F127为模板的结构,然后经过乙醇离心洗涤去杂质,得到以多巴胺为骨架的多孔结构。将沉淀物煅烧,经过碳化得到掺氮多孔碳球。将掺氮多孔碳球与硒粉分别置于瓷舟的两端,煅烧得到氮硒共掺杂多孔碳球。然后将该多孔材料制备得到电池负极材料,将该电池负极材料应用在钠离子电池中得到钠离子电池。这种将硒沉积在多孔碳球构造的三维框架,使得钠离子在多孔框架下有更加良好的循环性能以及倍率性能,使得金属硒作为真正的商用的稳定的负极材料向前推进了一步。
Description
技术领域
本发明属于材料学技术领域,具体涉及一种氮硒共掺杂多孔碳球和钠离子电池负极材料及制备方法和应用。
背景技术
由于储能系统需求的大规模增长,钠离子电池(SIBs)被认为是目前商业化锂离子电池(LIBs)最具吸引力的替代品,因为钠的广泛可用性和可获得性。遗憾的是,低能量密度、低功率密度和低循环寿命仍然是SIBs目前推动整个技术向前发展以满足商业化基准要求的主要问题。在过去的几年里,通过优化电极结构或电解液组成,人们付出了巨大的努力来提高SIBs的性能,比如更高的能量密度和更长的循环寿命。特别是在已建立的负极系统中,金属/合金、磷/磷化物、金属氧化物/硫化物/硒化物等理论上具有较高钠储存能力的材料受到越来越多的关注,并取得了重大进展。虽然已经发表了一些关于SIBs电极的文章,但很多材料的导电性比较差,且在充放电过程中容易出现粉化从而降低循环稳定性,限制了这些材料的应用。我们通过新颖的结构设计、表面改性、电化学性能测试技术等手段,使这些负极材料获得了更有前景的电化学性能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种氮硒共掺杂多孔碳球和钠离子电池负极材料及制备方法和应用,包含该氮硒共掺杂多孔碳球的钠离子电池负极材料具有优异的循环性能。
本发明提供了一种氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,具有这样的特征,包括以下步骤:步骤S1,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,搅拌至溶液澄清,然后加入均三甲苯搅拌后再加入氨水搅拌,得到黑色溶液;步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:1-1:4混合搅拌后离心取出下层沉淀物;步骤S3,将沉淀物在惰性气氛下于300℃-900℃煅烧,冷却得到粉末,即掺氮多孔碳球;步骤S4,在惰性气氛下,将硒粉与掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,于300℃-600℃保温一段时间,冷却得到最终产物,即氮硒共掺杂多孔碳球;其中,硒粉与掺氮多孔碳球的质量比为0.1-10。
在本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,硒粉与掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,硒粉朝向进气口,氮硒共掺杂多孔碳球朝向出气口。
在本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,F127、盐酸多巴胺、水和乙醇的质量体积比为1.5g:1g:50mL:50mL-2.5g:1g:100mL:100mL,水和乙醇的体积比为1:1,氨水的浓度为25%-28%,2mL-4mL均三甲苯与8mL-12mL氨水的均以1秒一滴的速度滴加。
在本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,将2gF127、1g盐酸多巴胺溶解在200mL水和乙醇比例为1:1的混合溶液中,搅拌至溶液澄清,然后加入3mL均三甲苯搅拌后再加入10mL浓度25%-28%氨水搅拌,得到黑色溶液。
在本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,步骤S1中,搅拌温度均为25℃-40℃,搅拌转速均为每分钟100rpm-700rpm,步骤S2中,离心速率为1000rpm-16000rpm,离心时间为0.1min-30min。
在本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,步骤以S3中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-900℃煅烧,保温0.5h-4h,步骤S4中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-600℃煅烧,保温0.5h-2h。
本发明还提供了一种氮硒共掺杂多孔碳球,具有这样的特征,由氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法制备得到。
本发明还提供了一种钠离子电池负极材料的制备方法,具有这样的特征,包括以下步骤:将氮硒共掺杂多孔碳球、乙炔黑和聚偏氟乙烯按质量比8:1:1-7:1.5:1.5混合后研磨,然后加入浓度为95-99.5%的NMP溶液制成浆料,经拉磨及烘干后,切片得到钠离子电池负极材料。
本发明还提供了一种钠离子电池负极材料,具有这样的特征,由钠离子电池负极材料的制备方法制备得到。
发明的作用与效果
根据本发明提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,得到以嵌段共聚物F127为模板的结构,然后经过乙醇离心洗涤去杂质,将F127和均三甲苯分离出来,即可得到以多巴胺为骨架的多孔结构,避免了刻蚀过程。将沉淀物于300℃-900℃煅烧,经过碳化,得到掺氮多孔碳球。得到的掺氮多孔碳球为多孔碳球框架结构,将其与硒粉分别置于瓷舟的两端,于300℃-600℃保温一段时间,即得到氮硒共掺杂多孔碳球。该方法简单、步骤少、方便操作、价格低廉、无毒害易于大规模工业化生产,由于金属硒能够和钠离子发生合金化反应,提高容量,因此该方法使得金属硒作为真正的商用的稳定的负极材料向前推进了一步,有着显著的实际的应用。
通过该方法得到的氮硒共掺杂多孔碳球,独特的由许多纳米颗粒组成,为三维多孔结构,由氮气吸附曲线可知,表面的孔可提供大的比表面积。
该材料和乙炔黑和聚偏氟乙烯混合能够制备成钠离子电池负极材料从而作为电池的负极使用。该材料的三维多孔结构为钠离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径。同时,巨大的比表面积可以增大与电解质的接触面积,其中的氮元素增加了表面的活性位点,在充放电过程中,,使钠离子的更容易嵌入碳层以及与硒发生合金反应,充分地进入材料的内部,促进Na+离子的扩散和电子跃迁。独特的结构(即内部多孔的结构)还可以有效地抑制电极材料充放电过程中的体积膨胀变化、防止团聚,减少了电极材料极化和电池内阻,提升材料的循环稳定性以及倍率性能。
本发明制备得到了一种多孔材料,进一步地,由该多孔材料制备得到电池负极材料,然后将该电池负极材料应用在钠离子电池中,因此,本发明通过这种将硒沉积在多孔碳球构造的三维框架,使得钠离子在多孔框架下有更加良好的循环性能以及倍率性能。当作为钠离子电池的负极材料进行测试时,所制备的氮硒共掺杂多孔碳球表现出可逆的高比容量,优异的倍率容量和循环稳定性。
附图说明
图1是本发明的实施例1中的钠离子负极材料TEM图;
图2是本发明的实施例1中的钠离子负极材料EDS图;
图3是本发明的实施例1中的钠离子负极材料SEM图;
图4是本发明的实施例1中的钠离子负极材料Raman图;
图5是本发明的实施例1中所得的钠离子电池阻抗图;
图6是本发明的实施例1中所得的钠离子电池倍率循环图;
图7是本发明的实施例1中所得的钠离子电池的充放电循环图;以及
图8是本发明的实施例1中的钠离子负极材料的氮气吸附曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,以下结合实施例及附图对本发明一种氮硒共掺杂多孔碳球和钠离子电池负极材料及制备方法和应用作具体阐述。
以下实施例中所用到的各原料均为市售产品。
F127为三嵌段聚(环氧乙烷)-b-聚(环氧丙烷)-b-聚(环氧乙烷)Pluronic F127(EO106PO70EO106,Mav=12600),购自Sigma-Aldrich;盐酸多巴胺购自Aladdin,纯度99.5%;乙醇购自国药,纯度99.5%;氨水购自国药,浓度28-30wt%。
本发明的实施例中所得的氮硒共掺杂多孔碳球材料的电化学性能通过电化学工作站和蓝电测试系统进行测试;所用的电化学工作站为辰华电化学工作站;蓝电测试系统采用LAND-CT2001。电化学性能测试采用2016型纽扣电池测试,纽扣电池在充满氩气的手套箱中组装,手套箱内水的含量值和氧的含量值都保持在0.1ppm以下。
本发明提供的一种氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤S1,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,搅拌至溶液澄清,然后加入均三甲苯搅拌后再加入氨水搅拌,得到黑色溶液。
步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:1-1:4混合搅拌后离心,取出下层沉淀物。
步骤S3,将沉淀物在惰性气氛下于300℃-900℃煅烧,冷却得到粉末,即掺氮多孔碳球。
步骤S4,在惰性气氛下,将硒粉与掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,于300℃-600℃保温一段时间,冷却得到最终产物,即黑色粉末状的氮硒共掺杂多孔碳球。
其中,F127、盐酸多巴胺、水和乙醇的质量体积比为1.5g:1g:50mL:50mL-2.5g:1g:100mL:100mL,水和乙醇的体积比为1:1,氨水的浓度为25%-28%,2mL-4mL均三甲苯与8mL-12mL氨水的均以1秒一滴的速度滴加。
步骤S1中,搅拌温度均为25℃-40℃的水浴,搅拌转速均为每分钟100rpm-700rpm。
步骤S2中,离心速率为1000rpm-16000rpm,离心时间为0.1min-30min。
步骤以S3中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-900℃煅烧,保温0.5h-4h。步骤S4中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-600℃煅烧,保温0.5h-2h。
步骤S4中,硒粉与掺氮多孔碳球的质量比为0.1-10,硒粉与掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,硒粉朝向进气口,氮硒共掺杂多孔碳球朝向出气口。
将制备得到的氮硒共掺杂多孔碳球乙炔黑和聚偏氟乙烯按质量比8:1:1-7:1.5:1.5混合后研磨,然后加入NMP溶液(n-甲基吡咯烷酮,浓度范围是95-99.5%)制成浆料,经拉磨(即将浆料涂在铜箔上)及烘干(真空60度烘24h)后,切片得到钠离子电池负极材料。
该钠离子电池负极材料作为钠离子电池的负极,和钠片正极材料一起组装成钠离子电池。
<实施例1>
本发明提供一种钠离子电池负极储能材料的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤S1,将2gF127、1g盐酸多巴胺溶解在200mL水和乙醇比例为1:1的混合溶液中,35℃下搅拌30min至溶液澄清;然后加3mL均三甲苯搅拌30min,再加入10mL浓度25%的氨水搅拌30min,最后得到黑色溶液。
步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:2混合,搅拌,在每分钟16000rpm条件下离心5min,取出下层沉淀物。
步骤S3,将下层沉淀物在氮气气氛下以3℃/min的升温速率加热到800℃煅烧,保温2h,冷却到室温收集粉末即可得到掺氮多孔碳球。
步骤S4,制备氮硒共掺杂多孔碳球:将硒粉与步骤S3得到的粉末置于瓷舟两端,氮气下500℃保温1h,冷却到室温即得到黑色粉末,即最终产物氮硒共掺杂多孔碳球。
用步骤S4得到黑色粉末制备氮硒共掺杂多孔碳球钠离子电池负极材料(以下简称钠离子电池负极材料),具体制备步骤如下:
将步骤S4制备的黑色粉末与乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1研磨,加入NMP溶液制成浆料,拉磨,烘干,切片得到钠离子电池负极材料。
得到钠离子电池负极材料随后在手套箱中组装成电池。最后将组装好的电池在蓝电测试系统及电化学工作站进行电化学测试以及将样品进行其他方面的物理表征等。
对该活性材料即钠离子负极材料进行透射电镜表征,结果见图1,图1为实施例1所得钠离子负极材料TEM图;图2为实施例1所得的钠离子负极材料EDS图,可以得出碳、氮、硒分布较为均匀。图3为实施例1所得钠离子负极材料SEM图;图4为实施例1所得的钠离子负极材料Raman图。图5为实施例1所得的钠离子负极材料阻抗图,经过拟合可知阻抗为73.4Ω。图6为实施例1所得钠离子负极材料倍率循环图。图7为实施例1所得钠离子负极材料在电流密度为0.2Ag-1的充放电循环图,图中表示的循环性能,横坐标为循环圈数,纵坐标是达到的容量。表明了电极材料具有一定的循环性能。图8是本发明的实施例1中的钠离子负极材料的氮气吸附曲线。经设备计算结果可知表面积为41.3544m2/g。
<实施例2>
本发明提供一种钠离子电池负极储能材料的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤S1,将3gF127、1.5g盐酸多巴胺溶解在250mL水和乙醇比例为1:1的混合溶液中,35℃下搅拌40min至溶液澄清;然后加3ml均三甲苯搅拌40min,再加入10ml浓度为28%的氨水搅拌40min,最后得到黑色溶液。
步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:3混合,搅拌,在每分钟15000rpm条件下离心5min,取出下层沉淀物。
步骤S3,将下层沉淀物在然后在氮气气氛下以3℃/min的升温速率加热到800℃煅烧,保温2h,冷却到室温收集粉末即可得到掺氮多孔碳球。
步骤S4,制备氮硒共掺杂多孔碳球:将硒粉与步骤S3得到的粉末置于瓷舟两端,氮气下500℃保温1h,冷却到室温即得到黑色粉末,即最终产物氮硒共掺杂多孔碳球。
将步骤S4制备的黑色粉末与乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1研磨,加入NMP溶液制成浆料,拉磨,烘干,切片得到钠离子电池负极材料。
<实施例3>
本发明提供一种钠离子电池负极储能材料的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤S1,将4gF127、2g盐酸多巴胺溶解在4000mL水和乙醇比例为1:1的混合溶液中,35℃下搅拌50min至溶液澄清;然后加4mL均三甲苯搅拌50min,再加入12mL氨水搅拌50min,最后得到黑色溶液。
步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:3混合,搅拌,在每分钟15000rpm条件下离心5min,取出下层沉淀物。
步骤S3,将下层沉淀物在氮气气氛下以3℃/min的升温速率加热到800℃煅烧,保温2h,冷却到室温收集粉末即可得到掺氮多孔碳球。
步骤S4,制备氮硒共掺杂多孔碳球:将硒粉与步骤S3得到的粉末置于瓷舟两端,氮气下450℃保温1h,冷却到室温即得到黑色粉末,即最终产物氮硒共掺杂多孔碳球。
用步骤S4得到黑色粉末制备氮硒共掺杂多孔碳球钠离子电池负极材料(以下简称钠离子电池负极材料),具体制备步骤如下:
将步骤S4制备的黑色粉末与乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7:1.5:1.5研磨,加入NMP溶液制成浆料,拉磨,烘干,切片得到钠离子电池负极材料。
<实施例4>
本发明提供一种钠离子电池负极储能材料的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤S1,将5gF127,3g盐酸多巴胺溶解在500mL水和乙醇比例为1:1的混合溶液中,35℃下搅拌50min,至溶液澄清;然后加4mL均三甲苯搅拌50min,再加入12mL氨水搅拌50min,最后得到黑色溶液。
步骤S2,将黑色溶液与乙醇按体积比1:3混合,搅拌,在每分钟15000rpm条件下离心5min,取出下层沉淀物。
步骤S3,将下层沉淀物在氮气气氛下以3℃/min的升温速率加热到800℃煅烧,保温2h,冷却到室温收集粉末即可得到掺氮多孔碳球。
步骤S4,制备氮硒共掺杂多孔碳球:将硒粉与步骤S3得到的粉末置于瓷舟两端,氮气下400℃保温1h,冷却到室温即得到黑色粉末,即最终产物氮硒共掺杂多孔碳球。
用步骤S4得到黑色粉末制备氮硒共掺杂多孔碳球钠离子电池负极材料(以下简称钠离子电池负极材料),具体制备步骤如下:
将步骤S4制备的黑色粉末与乙炔黑和聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1研磨,加入NMP溶液制成浆料,拉磨,烘干,切片得到钠离子电池负极材料。
实施例的作用与效果
根据以上实施例提供的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,得到以嵌段共聚物F127为模板的结构,然后经过乙醇离心洗涤去杂质,将F127和均三甲苯分离出来,即可得到以多巴胺为骨架的多孔结构,避免了刻蚀过程。将沉淀物于300℃-900℃煅烧,经过碳化,得到掺氮多孔碳球。得到的掺氮多孔碳球为多孔碳球框架结构,将其与硒粉分别置于瓷舟的两端,于300℃-600℃保温一段时间,即得到氮硒共掺杂多孔碳球。该方法简单、步骤少、方便操作、价格低廉、无毒害易于大规模工业化生产,由于金属硒能够和钠离子发生合金化反应,提高容量,因此该方法使得金属硒作为真正的商用的稳定的负极材料向前推进了一步,有着显著的实际的应用。
通过该方法得到的氮硒共掺杂多孔碳球,独特的由许多纳米颗粒组成,为三维多孔结构,由氮气吸附曲线可知,表面的孔可提供大的比表面积。
该材料和乙炔黑和聚偏氟乙烯混合能够制备成钠离子电池负极材料从而作为电池的负极使用。该材料的三维多孔结构为钠离子和电子的存储、传输提供了有效的空间和路径。同时,巨大的比表面积可以增大与电解质的接触面积,其中的氮元素增加了表面的活性位点,在充放电过程中,,使钠离子的更容易嵌入碳层以及与硒发生合金反应,充分地进入材料的内部,促进Na+离子的扩散和电子跃迁。独特的结构(即内部多孔的结构)还可以有效地抑制电极材料充放电过程中的体积膨胀变化、防止团聚,减少了电极材料极化和电池内阻,提升材料的循环稳定性以及倍率性能。
本发明的实施例中,瓷舟的进气口放置硒粉,出气口放置氮硒共掺杂多孔碳球,这样硒蒸汽可以顺着气流沉积在多孔碳球上。
本发明的实施例中,F127、盐酸多巴胺、水和乙醇的量比值范围为1.5g:1g:50mL:50mL-2.5g:1g:100mL:100mL,2mL-4mL均三甲苯与8mL-12mL氨水缓慢加入约1秒一滴的速度,使得反应充分。另外,氮硒共掺杂多孔碳球、乙炔黑和聚偏氟乙烯按质量比8:1:1-7:1.5:1.5混合后研磨,然后加入NMP溶液制成浆料,这样制备的浆料比较粘稠并且不容易从铜箔上脱落。
本发明制备得到了一种多孔材料,进一步地,由该多孔材料制备得到电池负极材料,然后将该电池负极材料应用在钠离子电池中,因此,本发明通过这种将硒沉积在多孔碳球构造的三维框架,使得钠离子在多孔框架下有更加良好的循环性能以及倍率性能。当作为钠离子电池的负极材料进行测试时,所制备的氮硒共掺杂多孔碳球表现出可逆的高比容量,优异的倍率容量和循环稳定性。
上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,将F127、盐酸多巴胺溶解在水和乙醇的混合溶液中,搅拌至溶液澄清,然后加入均三甲苯搅拌后再加入氨水搅拌,得到黑色溶液;
步骤S2,将所述黑色溶液与乙醇按体积比1:1-1:4混合搅拌后离心取出下层沉淀物;
步骤S3,将所述沉淀物在惰性气氛下于300℃-900℃煅烧,冷却得到粉末,即掺氮多孔碳球;
步骤S4,在惰性气氛下,将硒粉与所述掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,于300℃-600℃保温一段时间,冷却得到最终产物,即氮硒共掺杂多孔碳球;
其中,所述硒粉与所述掺氮多孔碳球的质量比为0.1-10。
2.根据权利要求1所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于:
其中,所述硒粉与所述掺氮多孔碳球分别置于瓷舟的两端,所述硒粉朝向进气口,所述氮硒共掺杂多孔碳球朝向出气口。
3.根据权利要求1所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于:
其中,所述F127、所述盐酸多巴胺、所述水和所述乙醇的质量体积比为1.5g:1g:50mL:50mL-2.5g:1g:100mL:100mL,所述水和所述乙醇的体积比为1:1,所述氨水的浓度为25%-28%,
所述均三甲苯与所述氨水的均以1秒一滴的速度滴加。
4.根据权利要求1所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于:
其中,将2g所述F127、1g所述盐酸多巴胺溶解在200mL所述水和所述乙醇比例为1:1的混合溶液中,搅拌至溶液澄清,然后加入3mL均三甲苯搅拌后再加入10mL浓度25%-28%氨水搅拌,得到黑色溶液。
5.根据权利要求1所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于:
其中,步骤S1中,搅拌温度均为25℃-40℃,搅拌转速均为每分钟100rpm-700rpm,
步骤S2中,所述离心速率为1000rpm-16000rpm,离心时间为0.1min-30min。
6.根据权利要求1所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法,其特征在于:
其中,步骤以S3中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-900℃煅烧,保温0.5h-4h,
步骤S4中,以1℃/min-10℃/min的升温速率加热到300℃-600℃煅烧,保温0.5h-2h。
7.一种氮硒共掺杂多孔碳球,其特征在于,由权利要求1-6中任一项所述的氮硒共掺杂多孔碳球的制备方法制备得到。
8.一种钠离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将氮硒共掺杂多孔碳球、乙炔黑和聚偏氟乙烯按质量比8:1:1-7:1.5:1.5混合后研磨,然后加入浓度为95-99.5%的NMP溶液制成浆料,经拉磨及烘干后,切片得到钠离子电池负极材料,
其中,所述氮硒共掺杂多孔碳球为权利要求8所述氮硒共掺杂多孔碳球。
9.一种钠离子电池负极材料,其特征在于,由权利要求8所述的钠离子电池负极材料的制备方法制备得到。
10.一种钠离子电池负极材料作为负极材料在钠离子电池中的应用,其特征在于,钠离子电池负极材料为权利要求9所述的电池负极材料。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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