宋代云， 金 辉， 于正河
(青岛大学 a. 政治与公共管理学院；
b. 知识产权研究院， 山东 青岛 266071)
光催化剂是一种在光照射下自身不发生变化，但可促进化学反应的物质，其利用自然界存在的光能转化成化学反应所需的能量，因而产生催化作用，导致周围的氧气和水分子被激发转变成具备氧化能力的自由基离子。光催化剂可分解绝大部分对人体和环境有害的有机物和少量无机物，既可加速反应，也能利用自然界定律来避免资源浪费和防止附加污染的形成。最具代表性的光催化例子是植物光合作用，通过吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气和有机物。光催化作用最早由东京大学藤岛昭教授于1967年研究发现，在当时一次实验中对水中二氧化钛单结晶进行光线照射，发现水被分解成氧气和氢气，其中的二氧化钛称为光触媒或光催化剂。由于是借助光来促进氧化分解反应，相当于将光能转变为化学能。1992年，第一次二氧化钛光触媒国际研讨会召开，有关研究者提出了关于光触媒的新观念及其用于氮氧化物净化，尤其是二氧化钛作为光触媒的研究引起了广泛关注。以此为契机，光触媒技术获得了较快发展，相关研究论文成果和专利技术的数量快速增多，广泛应用于抗菌、防污、空气净化等重要领域，为人们营造洁净的环境和保障健康的身体[1-14]。随着光催化材料进入纳米时代，纳米光催化剂应运而生。纳米材料具有较小的尺寸1～100 nm，较大的比表面积，且随着尺寸减小而表面原子百分比增大。表面上大量原子配位的不完全会引起较高的表面能，而表面能在总能量上的占比大幅提升，会赋予纳米材料特殊的吸附、光吸收和熔点变化特性。利用纳米级超微粒子技术及其特征，可研发出材料本身不参与反应，但可以促进和提高反应能量的特性。将以催化目标反应的纳米光催化剂技术应用于环境清洁作用上，可以促进有害或有毒物质加速反应成稳定和无害的物质，达到环保的目的。目前，纳米光催化剂技术已经广泛应用于抗菌、除臭、油污分解、防霉防藻、空气净化等诸多重要领域[15-50]。因此，本文针对纳米光催化剂技术领域的国内外专利进行系统的检索和分析，主要涉及专利申请的发展趋势、技术构成、技术活跃度、主要申请人和重点专利分析。通过专利数据库检索和采用专利导航比较分析，获得纳米光催化剂技术专利分析的图表展示。该研究为纳米光催化剂技术相关领域的科技工作者提供决策性参考。
本文分析的专利数据来源于北京合享智慧科技有限公司开发的incoPat可信好用的全球专利数据库，通过分类号与关键词相结合的方式进行检索。对2021年9月30日之前公开的纳米光催化剂技术国内外专利进行检索，经筛选、人工去噪、分类和标引后对检索结果进行分析。采用incoPat专利数据库检索纳米光催化剂技术专利，经申请号合并和inpadoc同族合并后导入智能库，通过批量和手动标引在智能库中进行具体分析。
对于申请趋势分析，利用图表展示专利申请量的发展趋势。检索结果表明，纳米光催化剂技术国内外专利申请总量为6 210件，申请量总体发展趋势分为3个时期：一是“萌芽期”1980—1993年，1993年前总计15件占比0.24%，每年专利申请量在0～2件之间，在此时期，日本、芬兰、英国、美国、德国、苏联、瑞士和韩国等是较早投入纳米光催化剂技术研发的国家，日本的研发投入最早，且在专利申请量上占据优势；
二是“平稳增长期”1994—2007年，总计983件占比15.83%，纳米光催化剂技术的研发逐渐引起各国的重视，专利申请量逐年增加，从1994年5件增加到2003—2007年103～152件之间，其中，申请量靠前的国家和组织依次是日本334件、中国302件、韩国231件、世界知识产权组织48件、美国29件、欧洲专利局7件、英国6件和俄罗斯6件等，日本、中国和韩国的专利申请量占据优势；
三是“快速增长期”2008—2021年，总计5212件占比83.93%，各国加大了对纳米光催化剂技术的研发投入，专利申请量从2008年138件快速增长到2018年681件，之后的增速有所减缓，期间，申请量靠前的国家和组织分别是中国4 289件、韩国316件、日本171件、世界知识产权组织117件、美国91件、印度75件、俄罗斯35件和马来西亚16件等，中国的专利申请量表现出绝对优势，占据82.29%。近年来，我国逐步加大了在纳米光催化剂技术研发方面的投入，相关技术的专利申请量逐年大幅增加，奠定了全球主导地位。这不仅归功于纳米光催化剂技术领域科技工作者的辛勤付出，还与当前相关技术领域的飞速发展紧密相关，以及与我国各级科技管理部门落实的政策扶持和经费资助也是密不可分，有力推动了相关技术的高效研发和转化应用。纳米光催化剂技术全球专利申请量的发展趋势如图1所示。
图1 纳米光催化剂技术全球专利申请量的发展趋势
对上述关于纳米光催化剂技术国内外专利检索结果，开展技术构成分析，采用图表形式展示分析对象在各技术分支方向上的专利申请数量及其分布情况，了解分析对象覆盖的技术类别及各分支技术的创新热度。对于6210件检索结果专利，依据国际IPC分类号规则，采用小组为最终分类，筛选排名前20的主要技术分支进行分析，纳米光催化剂技术全球专利的主要技术构成与申请量如图2所示。
图2 纳米光催化剂技术全球专利的主要技术构成与申请量
主要技术分支IPC分类号(小组)、技术分支含义以及相关专利申请量与占比情况如下：
1) C02F1/30 (1 610件，25.93%)：辐射法。
2) B01J35/02 (897件，14.44%)：固体。
3) B01J21/06 (843件，13.57%)：硅、钛、锆或铪及其氧化物或氢氧化物。
4) B01J27/24 (642件，10.34%)：氮的化合物。
5) C02F101/38 (611件，9.84%)：含氮。
6) C02F101/30 (602件，9.69%)：有机化合物。
7) B01D53/86 (502件，8.08%)：催化方法。
8) C01B3/04 (486件，7.83%)：用无机化合物，如氨-分解法。
9) B01J35/10 (466件，7.50%)：以其表面性质或多孔性为特征。
10) B01J35/00 (445件，7.17%)：一般以其形态或物理性质为特征的催化剂。
11) B82Y40/00 (382件，6.15%)：纳米结构的制造或处理。
12) B82Y30/00 (379件，6.10%)：用于材料和表面科学的纳米技术，例如：纳米复合材料。
13) C02F1/32 (374件，6.02%)：用紫外线。
14) C02F101/34 (370件，5.96%)：含氧。
15) B01J37/08 (339件，5.46%)：热处理。
16) B01J37/10 (308件，4.96%)：在水(例如蒸汽)存在下。
17) B01J37/34 (302件，4.86%)：利用辐射，或利用电能、磁能或波能，例如超声波。
18) B01J27/04 (295件，4.75%)：硫化物。
19) C02F1/72 (279件，4.49%)：氧化法。
20) B01J37/02 (264件，4.25%)：浸渍，涂层或沉淀(涂层保护入B01J33/00)。
由上述排名可知，纳米光催化剂技术的全球专利申请，主要涵盖的相关技术分支依次是C02F1/30(辐射法)、B01J35/02(固体)、B01J21/06(硅、钛、锆或铪及氧化物或氢氧化物)、B01J27/24(氮的化合物)、C02F101/38(含氮)、C02F101/30(有机化合物)和B01D53/86(催化方法)，它们分别占据了总申请量的25.93%，14.44%，13.57%，10.34%，9.84%，9.69%和8.08%。尽管同一件专利可能隶属于2个或多个技术分支，但其它相关技术分支方向上的专利申请量总占比均小于8%。近年来，鉴于全球纳米科技和光催化技术的飞速发展及相关行业对纳米光催化剂技术广泛迫切的需求，有效促进了科技工作者在该技术领域的研发投入和成果产出。同时，如何进一步提升纳米光催化剂体系的实际应用性能，也已成为该技术领域亟待解决的关键问题之一。
对于纳米光催化剂技术进行检索的国内外6 210件专利，其排名前10位的专利公开国别和组织依次是中国4 591件、韩国548件、日本510件、世界知识产权组织162件、美国115件、印度75件、俄罗斯41件、欧洲专利局18件、马来西亚17件和英国12件。相比之下，中国专利申请量的优势十分明显，占据全球申请量的73.93%。在“平稳增长期”的1994—2007年，各国的专利申请量呈现增长态势，中国在2002年开始领先其它地域，但领先优势较小。在“快速增长期”的2008—2021年，其它地域的专利申请量增长相对缓慢，而我国呈现快速增长态势，且领先优势非常显著，占据了绝对优势。此外，在全球排名前100位的专利申请人中，国外申请人仅占8席，而我国申请人占据92席，且排名前20位全部为中国申请人。全球纳米光催化剂技术专利主要公开国别和组织分布如图3所示。
图3 全球纳米光催化剂技术专利主要的公开国别和组织分布
全球纳米光催化剂技术专利主要申请人排名情况如图4所示。由图4可以看出，江苏大学优势显著，达214件，济南大学77件，福州大学76件，常州大学70件，陕西科技大学57件，武汉理工大学56件，其它单位的申请量均少于50件。说明近年来我国在纳米光催化技术领域具备巨大的发展潜力，相关专利技术的研发水平位居全球前列，展现出强劲的核心技术竞争力。
纳米光催化剂技术全球专利主要申请人技术构成及其分类号如图5所示。图5主要分析专利申请量排名前20位的申请人在纳米光催化剂技术领域的十大热点技术分支方向，具体包括B01J、C02F、C01B、B01D、B82Y、C01G、A61L、C09D、C07C和A62D，对各技术分支的含义及其所对应的重要申请人具体分析如下：
1) B01J(化学或物理方法，例如催化作用或胶体化学及其有关设备)：江苏大学、福州大学、济南大学、武汉理工大学和常州大学等是重要申请人。
图4 全球纳米光催化剂技术专利主要申请人排名情况
2) C02F(水、废水、污水或污泥的处理)：江苏大学、济南大学、常州大学、南京大学和华南理工大学等是重要申请人。
3) C01B(非金属元素及其化合物)：江苏大学、福州大学、济南大学、青岛科技大学和南京大学等是重要申请人。
4) B01D(分离)：浙江大学、上海交通大学、华南理工大学、福州大学和辽宁大学等是重要申请人。
5) B82Y(纳米结构的特定用途或应用，测量或分析，制造或处理)：江苏大学、陕西科技大学、青岛科技大学、济南大学和同济大学等是重要申请人。
6) C01G(含有不包含在C01D或C01F小类中之金属的化合物)：江苏大学、陕西科技大学、济南大学、福州大学和浙江大学是重要申请人。
7) A61L(材料或消毒的一般方法或装置，空气灭菌、消毒或除臭，绷带、敷料、吸收垫或外科用品的材料和化学方面)：天津大学、上海交通大学、福州大学、武汉理工大学和浙江大学是重要申请人。
8) C09D(涂料组合物，例如色漆、清漆或天然漆，填充浆料，化学涂料或油墨的去除剂，油墨，改正液，木材着色剂，用于着色或印刷的浆料或固体，原料为此的应用)：青岛科技大学、天津大学、华南理工大学和江苏大学是重要申请人。
9) C07C(无环、碳环化合物)：福州大学、天津大学、辽宁大学、江苏大学和北京化工大学是重要申请人。
10) A62D(灭火用化学装置，使有害化学物质无害或减少害处的方法，用于防护的覆盖物或材料组合物，用于防毒面具、呼吸器、呼吸袋或头盔的透明部件和材料组合物)：江苏大学、常州大学、武汉理工大学、山东大学和北京化工大学等是重要申请人。
由上述分析可知，B01J、C02F和C01B 3项纳米光催化剂分支技术的相关专利占据显著优势，属于热点技术分支方向，其中，江苏大学、福州大学、济南大学、常州大学和武汉理工大学等是重要申请人。相比而言，尽管其它分支技术相关专利的申请量偏少，近年来由于纳米科技和光催化技术的快速发展，以及相关行业对纳米光催化剂技术的迫切需求，因此具备相关技术专利全球布局的空间。
图5 纳米光催化剂技术全球专利的主要申请人技术构成及其分类号
对全球纳米光催化剂技术进行检索的6 210件相关专利，筛选合享价值度为10，结合法律状态，按被引证次数降序排列，分析排名靠前的国内外相关技术高价值重点专利。通过分析筛选后的结果表明，我国在纳米光催化剂技术领域的专利拥有明显的申请量优势，占据全球总申请量的73.93%，但高价值重点专利主要集中在美国、日本、加拿大等发达国家，以及世界知识产权组织、欧洲专利局等，且在全球范围内的布局较广，覆盖多个热点和重点技术分支。结合上述情况，筛选出国外公开的排名前10位相关技术高价值重点专利，国外公开的纳米光催化剂技术领域高价值重点专利如表1所示。
表1 国外公开的纳米光催化剂技术领域高价值重点专利
续表1
同时，筛选出排名靠前的相关技术国内重点专利，申请人主要集中在我国高等院校、科研院所、研发机构、企业和个人等。筛选出国内公开排名前10位的相关技术高价值重点专利，重要申请人包括中国科学院研究所，知名大学、相关企业、部分个人等。国内公开的纳米光催化剂技术领域高价值重点专利如表2所示。
表2 国内公开的纳米光催化剂技术领域高价值重点专利
续表2
近年来，我国加大了在纳米光催化剂技术领域的人力、物力和财力的投入，促进了专利申请量的快速增多，占据了全球绝对的优势地位。为进一步提升我国相关技术专利的质量，希望各级组织和管理部门进一步加大政策和经费的扶持力度，激励科技工作者参与广泛和密切的研发合作，着眼当今世界相关领域亟待解决的关键技术问题，加快高水平技术的顺利研发和高效转化，在夯实我国在该技术领域的核心竞争力和强势领导力的同时，创造出重要的经济效益和社会效益。
1) 纳米光催化剂技术专利申请的发展趋势主要分成3个时期：一是“萌芽期”1980—1993年；
二是“平稳增长期”1994—2007年；
三是“快速增长期”2008—2021年。
2) 专利技术构成主要包括C02F1/30(辐射法)、B01J35/02(固体)、B01J21/06(硅、钛、锆或铪；
及其氧化物或氢氧化物)、B01J27/24(氮的化合物)、C02F101/38(含氮)、C02F101/30(有机化合物)和B01D53/86(催化方法)。
3) 中国的专利申请量占据总申请量的73.93%，全球排名前20位的专利申请人全部为中国申请人，热点技术分支为B01J(化学或物理方法，例如催化作用或胶体化学；
其有关设备)、C02F(水、废水、污水或污泥的处理)和C01B(非金属元素；
其化合物)，而江苏大学、福州大学、济南大学、常州大学和武汉理工大学等是重要申请人。
4) 我国的纳米光催化剂技术专利占据申请量绝对优势，但高价值重点专利主要集中在美国、日本、加拿大等发达国家和世界知识产权组织、欧洲专利局等，且在全球范围内的布局较广，覆盖多个热点和重点技术分支。
本文对国内外纳米光催化剂技术领域的专利进行了系统的检索和分析，主要涉及专利申请的发展趋势、技术构成、技术活跃度、主要申请人和重点专利分析，并对发展前景进行了探讨。光催化是多学科交叉的研究领域，包括材料科学、半导体物理、催化与光电化学、环境工程等。光催化剂的研究与应用，有助于解决“能源”与“环境”这两个当今社会人类面临的重大生存问题。纳米光催化剂的基础和应用研究，加快了光催化剂研究领域重大科技问题攻克的步伐，尤其是在提升量子效率和太阳能利用率，探索多相光催化反应机理，开发稳定的光催化应用技术等方面，这些关键问题也是当前纳米光催化剂领域国内外相关研究的热点。近年来，随着光催化研究工作的深入开展，在光催化基础理论方面取得了较大突破，有效促进了纳米光催化剂技术在诸多领域的广泛和规模化工业应用。我国在纳米光催化剂技术领域的研究起步较晚，近年来的发展却十分迅速，在各技术分支中，我国的专利申请量始终高于其他国家，但存在研究水平不高和技术应用偏低端的问题。政策的引导和经费的扶持可吸引产业资本的不断投入，进而加快相关技术研究和商业化应用。我国高校、科研院所和研发机构应引领发展，在核心技术上取得快速突破，巩固我国在纳米光催化剂技术领域的国际领先地位，这对奠定我国技术强国的地位具有战略意义。对于国内申请人，需要加大核心专利技术的研发投入，以应对未来激烈的竞争，以提升专利申请质量为目标，确保研发的关键技术成果获得有效保护。
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