CN108084147A - 一种基于烷氧基苯的非稠环单元的a-d-a共轭分子及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A‑D‑A共轭分子包括如下通式:。其制作方法是:将带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A加入到反应容器中,然后加入溶剂,通入惰性气体排除反应容器中的空气后加入哌啶或吡啶,加温后进行搅拌反应,然后冷却至室温,得反应产物;将反应产物倒入至甲醇中,过滤得到沉淀物后,将沉淀物干燥得到固体;将固体通过柱色谱提纯后,得到基于烷氧基的非稠环单元的A‑D‑A共轭分子产物。这类分子具有宽且强的吸收光谱,高的电荷传输性能以及合适的电子能级,适合作为电子给体或电子受体材料应用于制备有机太阳能电池。

Description

一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子及其制备 方法和应用
技术领域
本发明涉及分子技术领域,具体涉及一种取代苯为核、噻吩为侨连单元、末端为吸电子单元的A-D-A共轭分子及其制备方法,以及以A-D-A共轭分子作为活性电子受体或电子给体材料在有机太阳能电池(OPV)中的应用。
背景技术
近年来,有机太阳能电池作为一种新型清洁能源受到学术界和工业界的广泛关注。有机太阳能电池发展迅速,也取得了显著成果。到目前为止,经过对材料结构、器件结构和加工工艺的优化,基于聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料共混制备的太阳能电池的光电能量转换效率已突破13%。这显示出有机太阳能电池巨大的应用前景。
有机光伏材料是有机太阳能电池的基础,材料光电性能的优异对电池的光电转换效率起到关键作用。目前,有机光伏材料的研究工作主要集中在给体材料上,受体材料的研究相对滞后。电子受体的工作主要集中在以PC61BM和PC71BM为代表的富勒烯衍生物。富勒烯衍生物具有高的电子亲和势、高的电子迁移率、各向同性的电荷传输、可逆的电化学还原等优异性能,可与聚合物给体材料形成合适的相分离和纳米尺寸的互穿网络结构(Y.He,Y.Li,Fullerene derivative acceptors for high performance polymer solar cells,Phys.Chem.Chem.Phys.2011,13,1970;C.Zhang,S.Chen,Z.Xiao,Q.Zuo,L.Ding,Synthesisof Mono-and Bisadducts of Thieno-o-quinodimethane with C60for EfficientPolymer Solar Cells,Org.Lett.2012,14,1508;J.E.Anthony,A.Facchetti,M.Heeney,S.R.Marder,X.Zhan,n-Type Organic Semiconductors in Organic Electronics,Adv.Mater.2010,22,3876;D.He,X.Du,Z.Xiao,L.Ding,Methanofullerenes,C60(CH2)n(n=1,2,3),as Building Blocks for High-Performance Acceptors Used in OrganicSolar Cells,Org.Lett.2014,16,612;Z.Xiao,X.Geng,D.He,X.Jia,L.Ding,Developmentof isomer-free fullerene bisadducts for efficient polymer solar cells,EnergyEnviron.Sci.2016,9,2114;Zhang,G.;Zhang,K.;Yin,Q.;Jiang,X.F.;Wang,Z.;Xin,J.;Ma,W.;Yan,H.;Huang,F.;Cao,Y.,High-Performance Ternary Organic Solar CellEnabled by a Thick Active Layer Containing a Liquid Crystalline SmallMolecule Donor.J.Am.Chem.Soc.2017,139,6,2387;Deng,D.;Zhang,Y.;Zhang,J.;Wang,Z.;Zhu,L.;Fang,J.;Xia,B.;Wang,Z.;Lu,K.;Ma,W.;Wei,Z.,Fluorination-enabledoptimal morphology leads to over 11%efficiency for inverted small-moleculeorganic solar cells.Nat.Commun.2016,7,13740.)。因而富勒烯衍生物如PC61BM和PC71BM已成为最广泛使用、最成功的电子受体。然而,富勒烯受体也存在一些缺点,如可见光去吸收弱,能级难以调控,难提纯,易聚集等(Koster,L.J.A.;Mihailetchi,V.D.;Blom,P.W.M.,Ultimate efficiency of polymer/fullerene bulk heterojunction solarcells.Applied Physics Letters 2006,88,093511;P.Sonar,JP Fong Lim and KL Chan,Organic non-fullerene acceptors for organic photovoltaics,EnergyEnviron.Sci.,2011,4,1558.)。因此,合成新型的非富勒烯受体材料势在必得。
近年来,一系列新型的小分子及聚合物非富勒烯受体材料被合成出来,与不同的给体材料共混制备太阳能电池时,表现出了良好的光伏性能,且光电转换效率已接近或超过与富勒烯衍生物共混得到电池的效率。目前,基于聚合物给体材料和非富勒烯小分子受体材料的有机太阳能电池的光电转换效率已超过11%(W.Zhao,D.Qian,S.Zhang,S.Li,O. O,F.Gao,J.Hou,Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 11%Efficiency and Excellent Thermal Stability,Adv.Mater.2016,28,4734;H.Bin,L.Gao,Z.G.Zhang,Y.Yang,Y.Zhang,C.Zhang,S.Chen,L.Xue,C.Yang,M.Xiao,Y.Li,11.4% Efficiency non-fullerene polymer solar cells with trialkylsilyl substituted 2D-conjugated polymer as donor,Nat.Commun.2016,7,13651;Y.Yang,Z.G.Zhang,H.Bin,S.Chen,L.Gao,L.Xue,C.Yang,Y.Li,Side-chain isomerization on an n-type organic semiconductor ITIC acceptor makes 11.77% high efficiency polymer solar cells,J.Am.Chem.Soc.2016,138,15011;S.Li,L.Ye,W.Zhao,S.Zhang,S.Mukherjee,H.Ade,J.Hou,Energy ‐Level Modulation of Small‐Molecule Electron Acceptors to Achieve over 12%Efficiency in Polymer Solar Cells,Adv.Mater.2016,28,9423;H.Yao,Y.Chen,Y.Qin,R.Yu,Y.Cui,B.Yang,S.Li,K.Zhang,J.Hou,Design and Synthesis of a Low Bandgap Small Molecule Acceptor for Efficient Polymer Solar Cells,Adv.Mater.2016,28,8283;Z.Li,K.Jiang,G.Yang,J.Y.Lai,T.Ma,J.Zhao,W.Ma,H.Yan,Donor polymer design enables efficient non- fullerene organic solar cells,Nat.Commun.2016,7,13094;D.Baran,R.S.Ashraf,D.A.Hanifi,M.Abdelsamie,N.Gasparini,J.A.Rohr,S.Holliday,A.Wadsworth,S.Lockett,M.Neophytou,C.J.M.Emmott,J.Nelson,C.J.Brabec,A.Amassian,A.Salleo,T.Kirchartz,J.R.Durrant,I.McCulloch,Reducing the efficiency-stability-cost gap of organic photovoltaics with highly efficient and stable small molecule acceptor ternary solar cells,Nat.Mater.2017,16,363.)。这说明,通过设计和合成高性能的非富勒烯小分子受体材料来提高有机太阳能电池的光电转换效率是一种可行且很有效的方法。
目前,高效的非富勒烯小分子受体材料一般是含有稠环单元的分子,如IDT,IDTT等(Y.Liu,Z.Zhang,S.Feng,M.Li,L.Wu,R.Hou,X.Xu,X.Chen,Z.Bo,An electron acceptorchallenging fullerenes for efficient polymer solar cells,J.Am.Chem.Soc.2017,139,3356;A.Hexemer,W.Bras,J.Glossinger,E.Schaible,E.Gann,R.Kirian,A.MacDowell,M.Church,B.Rude,H.Padmore,A SAXS/WAXS/GISAXS beamlinewith multilayer monochromator,J.Phys.:Conf.Ser.2010,247,012007;V.Vohra,K.Kawashima,T.Kakara,T.Koganezawa,I.Osaka,K.Takimiya,H.Murata,Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation,Nat.Photonics 2015,9,403;A.T.Yiu,P.M.Beaujuge,O.P.Lee,C.H.Woo,M.F.Toney,J.M.J.Fréchet,Side-chain tunability of furan-containing low-band-gap polymersprovides control of structural order in efficient solar cells,J.Am.Chem.Soc.2012,134,2180;W.Li,S.Albrecht,L.Yang,S.Roland,J.R.Tumbleston,T.McAfee,L.Yan,M.A.Kelly,H.Ade,D.Neher,W.You,Mobility-controlled performance of thick solar cells basedon fluorinated copolymers,J.Am.Chem.Soc.2014,136,15566.)。这类稠环单元具有刚性共平面的结构,分子间存在很强的π-π相互作用,且分子内具有很强的ICT作用,这些性质使得该类小分子受体材料具有宽且强的吸收光谱,合适的轨道能级,较高的载流子迁移率及良好的共混形貌。因此这次含有稠环单元的非富勒烯小分子受体材料研究较多。然而,含稠环单元的小分子也存在很多缺点,如原材料昂贵,合成繁琐,易聚集且溶解性差。
因此,针对上述问题,有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明目的是提供一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子、其制备方法及应用,解决上述问题。
本发明的技术方案是:
一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子,包括如下通式结构:
其中,
n为0~6;
X=O、S或Se;
R1为C1~C30的烷基;
R2为氢、C1~C30的烷基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基;
A为含活泼α氢的吸电子基团。
进一步的,所述A为下述结构中的任意一种或几种:
其中,
R4为C1~C30的烷基。
进一步的,所述n为0~3;X=S;R1为C1~C20的烷基;R2为氢、C1~C8的烷基。
本发明的另一技术方案是:
一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的制备方法,包括如下步骤:
(1)将带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A加入到反应容器中,然后加入溶剂,通入惰性气体排除所述反应容器中的空气后加入哌啶或吡啶,加温后进行搅拌反应,然后冷却至室温,得反应产物;
(2)将所述反应产物倒入至甲醇中,过滤得到沉淀物后,将所述沉淀物干燥得到固体;
(3)将所述固体通过柱色谱提纯后,得到基于烷氧基的非稠环单元的A-D-A共轭分子产物。
进一步的,步骤(1)中所述R1为C1~C30的烷基;R2为氢、C1~C30的烷基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基,所述A为下述结构中的任意一种或几种:
其中,
R4为C1~C30的烷基。
进一步的,步骤(1)中所述带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A的摩尔比为1:2~20。
进一步的,步骤(1)中所述溶剂为三氯甲烷。
进一步的,步骤(1)中所述哌啶或吡啶与所述带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物的摩尔比为0.001~0.5。
进一步的,步骤(1)中所述加温后的温度为25~80℃,所述搅拌反应时间为8~18小时
上述方式所制备的A-D-A共轭分子能够应用于有机太阳能电池。
本发明提供了一种一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子,
主要优点在于:
1.该A-D-A共轭分子结构简单,易合成,产率高;
2.该A-D-A共轭分子可溶解易加工,溶于二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、氯苯和二氯苯等有机溶剂;
3.该A-D-A共轭分子热稳定,起始分解温度超过300℃;
4.该A-D-A共轭分子吸光性好,适合作为有机太阳能电池材料;
5.该A-D-A共轭分子具有合适的电子能级,适合用于有机太阳能电池中的电子给体材料或电子受体材料;
6.该A-D-A共轭分子作为电子给体材料或电子受体材料在有机太阳能电池中显示出非常高的光电转换效率,具有较强的吸收、较强的电荷传输性能以及合适的电子能级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中,
图1为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的紫外-可见吸收光谱图;
图2为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的热失重曲线图;
图3为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的循环伏安曲线图;
图4为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的在应用于有机太阳能电池的J-V曲线图。
具体实施方式
非稠环单元因具有弯曲的结构而具有好的溶解性能,且存在的强吸电子元素(O,S等)形成的非共价构象锁使其在薄膜中呈现好的平面性能。烷基链既不是发色团也不是助色团,因此非稠环单元在使用较短烷基链时就能达到宽的吸收光谱,好的溶解性能和好的平面性能。另外,非稠环单元结构简单且易合成,这有利于以后企业的大规模生产。至今,未见任何文献或专利报道基于非稠环单元的A-D-A共轭小分子作为电子给体或受体材料在有机太阳能电池中的应用。
基于非稠环单元的结构特点,该类小分子上面的电负性强的原子(O,S)在薄膜中可通过O-H,O-S,S-H非共价键形成共平面结构,而在溶液中保持好的溶解性能。并且在非稠环单元的两端引入强吸电子单元调控能级,使其作为光伏材料中的电子受体使用。
本发明利用非稠环单元为核,五元芳杂环为桥连单元,改变末端的吸电子单元设计合成了一系列以非稠环单元烷氧基苯为核的A-D-A共轭小分子。
基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子,包括如下通式结构:
其中,n为0~6;X=O、S或Se;R1为C1~C30的烷基;R2为氢、C1~C30的烷基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基;A为含活泼α氢的吸电子基团。
其中,R4为C1~C30的烷基。
上述结构的制备方法,包括:
步骤一:将带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A加入到反应容器中,然后加入溶剂,通入惰性气体排除所述反应容器中的空气后加入哌啶或吡啶,加温后进行搅拌反应,然后冷却至室温,得反应产物;
在一个实施例中,该步骤可以具体如下执行:将带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A按摩尔比为1:2~20加入到反应容器中,然后加入三氯甲烷,通入惰性气体排除所述反应容器中的空气后加入哌啶或吡啶,其中,哌啶或吡啶与所述带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物的摩尔比为0.001~0.5,在25~80℃的温度条件下搅拌8~18小时,然后冷却至室温,得反应产物。
步骤二:将所述反应产物倒入至甲醇中,过滤得到沉淀物后,将所述沉淀物干燥得到固体;
步骤三:将所述固体通过柱色谱提纯后,得到基于烷氧基的非稠环单元的A-D-A共轭分子产物。
上述制备好的A-D-A共轭分子具有较强的吸收、较好的电荷传输性能以及合适的电子能级,能够作为有机太阳能电池器件中的电子给体材料或电子受体材料。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次,本发明利用结构示意图等进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,示意图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是实例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
实施例1
本实施案例按如下步骤展示基于烷氧基苯非稠环单元的A-D-A共轭分子的制备方法:
基于烷氧基苯非稠环单元的A-D-A共轭分子的合成路线如下:
在两口圆底烧瓶中加入化合物a(100mg,0.128mmol)和化合物b(259mg,1.28mmol),加入10ml三氯甲烷作为溶剂,通氩气30分钟以除去两口圆底烧瓶中的空气后加入0.5ml吡啶;在温度为65℃条件下搅拌反应12小时,然后冷却至室温;将所得反应液倒入到100ml甲醇中,过滤得到沉淀并干燥;将干燥后的固体沉淀用硅胶(100~200目)柱色谱分离,洗脱剂为石油醚/二氯甲烷(体积比为1:1),得到深棕色固体(105mg,72.4%),即为基于烷氧基苯非稠环单元的A-D-A共轭分子。1H-NMR(400MHz,CDCl3),δ(ppm):8.89(s,2H),8.72(d,2H),7.96(m,4H),7.79(m,6H),7.40(s,2H),4.13(d,4H),2.06(t,2H),1.25(m,48H),0.83(m,12H).13C-NMR(100MHz,CDCl3):187.84,160.84,155.70,150.70,144.53,139.91,137.83,137.76,136.97,135.04,134.41,127.83,125.28,124.15,123.70,122.95,114.55,114.43,112.39,72.82,69.62,59.48,38.14,31.88,31.85,31.43,31.19,30.01,29.67,29.61,29.33,26.90,22.65,22.63,14.07.MS(MALDI-TOF):m/z 1131(M+).Anal.Calc.forC72H82N4O4S2(%):C,76.42;H,7.30;N,4.95。Found:C,75.22;H,7.15;N,4.67%。
用元素分析、核磁共振、质谱表征了本发明中的A-D-A共轭分子的化学结构,用热重分析表征了本发明的A-D-A共轭分子的热稳定性,用循环伏安表征了本发明的A-D-A共轭分子的电化学性质,用紫外吸收光谱研究了本发明的A-D-A共轭分子的光物理性质。
上述A-D-A共轭分子的性能具体可从图1-3的测试得出。
请参阅图1,图1为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的紫外-可见吸收光谱图。从图1中可以看出:在溶液中,该分子在500~700nm范围内有宽且强的吸收,最大吸收峰在624nm处。在薄膜中,最大吸收峰在703nm处,发生了明显的红移。薄膜吸收边在821nm处,因此计算得到该分子的光学带隙为1.51eV。
请参阅图2,图2为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的热失重曲线图。从图2中可以看出:该分子热失重5%时的分解温度为327℃,说明该分子有良好的热稳定性,适合作为太阳能电池材料。
请参阅图3,图3为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的循环伏安曲线图。从图3中可以看出:该分子的氧化电位为1.00V,还原电位为-0.94V,因此计算出相应的HOMO能级为-5.73eV,LUMO能级为-3.79eV。
实施例2
太阳能光伏器件的制备及性能测试:
将商业购买的氧化铟锡(ITO)玻璃先用丙酮搓洗,然后依次洗洁剂、水、去离子水、丙酮、异丙醇超生清洗,干燥后旋涂一层30nm厚的氧化锌溶液作为阴极修饰层,200℃下干燥60分钟,备用。将实施例中的基于烷氧基苯非稠环单元的A-D-A共轭分子与聚合物给体材料PBDTT-ffBTz(重量比为1:0.5~2)的共混溶液(10~30mg/ml)旋涂于氧化锌阴极修饰层上形成器件的活性层。然后再旋涂一层10nm后的MoO3阳极修饰层。光伏器件活性层有效面积为4mm2。在活性层上真空(3×10-5Pa)蒸镀100nm左右的金属铝作为光伏器件阳极。
其中所用的聚合物给体材料PBDTT-ffBTz的结构如下:
太阳能电池的能量转换效率是用SS-F5-3A(Enli Technology CO.,Ltd.)作为太阳模拟器,在100mW/cm2光强下对器件进行光伏性能测试,光强通过标准单晶硅太阳能电池(SRC-00019)校准;J-V曲线使用Keithley2450进行测量。请参阅图4,图4为本发明所述的一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的在应用于有机太阳能电池的J-V曲线图。从图4中可以看出:测得器件的短路电流Jsc为12.37mA/cm2,开路电压Voc为0.89V,填充因子FF为51.5%,能量转换效率PCE为5.68%。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明制备了一系列简单的、全新的、溶解性好、热稳定性好的基于非稠环单元烷氧基苯的A-D-A共轭分子。由于烷氧基苯中存在的非共价构象锁,使其分子在薄膜状态下具有好的平面性,加上末端的吸电子基团的强吸电子能力,因此,这类分子具有宽且强的吸收光谱,高的电荷传输性能以及合适的电子能级,适合作为电子给体或电子受体材料应用于制备有机太阳能电池。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子,其特征在于,包括如下通式结构:
其中,
n为0~6;
X=O、S或Se;
R1为C1~C30的烷基;
R2为氢、C1~C30的烷基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基;
A为含活泼α氢的吸电子基团。
2.权利要求1所述的A-D-A共轭分子,其特征在于:所述A为下述结构中的任意一种或几种:
其中,
R4为C1~C30的烷基。
3.权利要求1所述的A-D-A共轭分子,其特征在于:所述n为0 ~3;X=S;R1为C1 ~C20的烷基;R2为氢、C1 ~C8的烷基。
4.基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
(1)将带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A加入到反应容器中,然后加入溶剂,通入惰性气体排除所述反应容器中的空气后加入哌啶或吡啶,加温后进行搅拌反应,然后冷却至室温,得反应产物;
(2)将所述反应产物倒入至甲醇中,过滤得到沉淀物后,将所述沉淀物干燥得到固体;
(3)将所述固体通过柱色谱提纯后,得到基于烷氧基的非稠环单元的A-D-A共轭分子产物。
5.权利要求4所述的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述R1为C1~C30的烷基;R2为氢、C1~C30的烷基、C1~C30的烷氧基、C1~C30的烷硫基,所述A为下述结构中的任意一种或几种:
其中,
R4为C1~C30的烷基。
6.权利要求4所述的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物与吸电子单元A的摩尔比为1:2~20。
7.权利要求4所述的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述溶剂为三氯甲烷。
8.根据权利要求4所述的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述哌啶或吡啶与所述带有R1、R2取代基的烷氧基苯非稠环单元醛基化合物的摩尔比为0.001~0.5。
9.权利要求4所述的A-D-A共轭分子的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述加温后的温度为25 ~ 80℃,所述搅拌反应时间为8 ~ 18小时。
10.一种基于烷氧基苯的非稠环单元的A-D-A共轭分子在有机太阳能电池中的应用。
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