CN110138261B - 一种基于双电荷层的发电机及其发电方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。发电机设有第一、二部件，第一部件设第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正、负电荷；当第一、二薄膜层分离的距离大于1μm时所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一、二薄膜层距离小于1μm时表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一、二薄膜层表面所带有的正、负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面的第一导电层和第二薄膜层背面的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一、二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。

Description

一种基于双电荷层的发电机及其发电方法

技术领域

本发明涉及将环境中机械能转化为电能的发电技术，尤其是涉及一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。

背景技术

能源是我国国民经济发展的支柱。随着我国石油和煤炭等传统能源的大量消耗，由此带来的能源短缺和环境问题日益严重。在此背景下，从周围环境中获取清洁能源对社会的可持续发展至关重要(Sihong Wang,Long Lin,and Zhong Lin Wang,NanoscaleTriboelectric-Effect-Enabled Energy Conversion forSustainablyPowering Portable Electronics,Nano Lett.,2012,12(12),6339–6346)。传统的基于空气中材料摩擦的纳米发电机，其发电效果受空气湿度影响较大，在空气湿度增大的情况下摩擦起电效应将大大减弱，摩擦纳米发电机的输出甚至会降为0，在海洋能的应用上受到极大的制约(Guo H,Chen J,Tian L,et al.Airflow-Induced TriboelectricNanogeneratoras a Self-Powered Sensor for Detecting Humidity and Airflow Rate[J].ACSApplied Materials&Interfaces,2014,6(19),17184-17189)。

发明内容

本发明的目的是提供能够将机械能转换为电能的一种基于双电荷层的发电机及其发电方法。

所述基于双电荷层的发电机设有第一部件和第二部件，第一部件设有第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，所述第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正电荷或负电荷；当第一薄膜层与第二薄膜层之间分离的距离大于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一薄膜层与第二薄膜层之间的距离小于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带有的正电荷或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面贴合的第一导电层和第二薄膜层背面贴合的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一导电层与第二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。

当撤去外力时，所述第一薄膜层的下表面和第二薄膜层的上表面能够恢复到距离大于1μm。

所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层的尺寸和形状相同。

所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中至少有一层带有正表面电荷或负表面电荷。

所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中存在表面电荷密度差异。

所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料可相同或不同，第一薄膜层和第二薄膜层的材料包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等表面可带电或者不带电的材料中的至少一种。

所述第一薄膜层和第二薄膜层的厚度可均为5nm～1cm。

所述第一导电层和第二导电层可分别与外电路电信号输出端连接，通过电信号输出端向外输送能量。

所述第一导电层和第二导电层可选自金属、导电氧化物、掺杂的半导体、导电有机物等导电材料中的一种。所述金属可选自铝、银、镍、铜、铂、金、铬以及由上述金属形成的合金；所述导电氧化物可为铟锡氧化物等；所述导电有机物可选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等中的一种。

所述第一部件和第二部件相对放置。

所述工作环境可为水溶液，所述水溶液可直接放置于海洋、河流、湖泊等任意水体中。

所述发电机工作的外力可包括潮汐、波浪等可提供动能的水体能量，或人体运动、风、环境震动等机械能。

所述第一部件可设有第一衬底，第二部件可设有第二衬底；所述第一衬底和第二衬底可采用硬性材料或柔性材料，所述硬性材料可选自有机玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材。

所述基于双电荷层的发电方法包括以下步骤：

1)提供分隔放置的第一部件和第二部件，并将第一导电层和第二导电层分别与电信号输出端的两端连接，所述电信号输出端连接外电路；

2)使第一部件与第二部件交替接触；

3)通过电能或电信号输出端向外输出电信号。

在步骤2)中，所述交替接触可通过改变第一部件与第二部件的间距所造成的接触和分离实现；第一部件的第一薄膜层和第二部件的第二薄膜层两者的表面电荷极性不同或者带电量不同。

本发明利用溶液双电荷层将工作环境中的机械能转化为电能，包括海洋、河流中的波浪能、潮汐能、人体运动的能量、工作环境中的震动能等，这些能源是清洁、可再生的能源，资源丰富，发展前景可观。

本发明提供一种可用于在水下收集水体机械能的新型发电机，利用了静电感应和双电荷层的特性，创造性地提出利用排开双电荷层的方法来将江河湖海中所蕴含的包括波浪能、潮汐能等机械能转换为电能。工作时发电机可以直接置于水下，不受环境湿度的影响。输出的电能可用于直接驱动电子器件或者给能量储存设备充电，对实现蓝色能源的开发具有极其重要的意义。

本发明提供了一种体积小、质量轻、成本低的发电机，而且对工作环境湿度不敏感，甚至能够在水环境中进行发电。

本发明具有以下突出的技术效果：

本发明提供的基于双电荷层的发电机最突出的优点是发电机的工作性能不随工作环境湿度变化，甚至可以直接在水溶液中工作，这使得其可以利用江河湖海中所蕴含的机械能，包括波浪能、潮汐能等，并将其转换为电能，这极大地提高了水力能源收集的简便性、通用性。

附图说明

图1为本发明所述基于双电荷层的发电机实施例的一种典型结构示意图。

图2为图1所述基于双电荷层的发电机实施例的工作原理示意图。

图3为本发明所述基于双电荷层的发电机实施例的另一种典型结构示意图。

图4为本发明所述基于双电荷层的发电机实施例的电信号输出谱图。在图4中，a是电压输出图，b是输出电信号为电容充电图。

图5为本发明所述基于双电荷层的发电机实施例用于点亮LED灯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明所述“双电荷层”是指在两种不同物质的界面上，正负电荷分别排列成的面层。在水下因表面基团的解离或从溶液中吸附某种电荷从而使其表面呈正或负电性，带电表面和溶液中的异种电荷离子构成双电荷层。由于电中性的要求，带电表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相反的多余的异种电荷离子。带电表面和异种电荷离子构成双电荷层。例如，高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate)表面存在羧基，羧基在水中电离从而使表面带有负电性，带有负电的表面吸附溶液中电性相反的正离子形成双电荷层。

图1给出本发明所述基于双电荷层的发电机实施例的一种典型结构示意图：包括第一部件和第二部件，第一部件由第一薄膜层101、第一导电层201和第一衬底12组成；第二部件由第二薄膜层102、第二导电层202和第二衬底22组成。第一导电层201和第二导电层202分别贴合在第一薄膜层101和第二薄膜层102背面。第一导电层201和第一薄膜层101两者贴合在一起后又固定在第一衬底12上，第二导电层202和第二薄膜层102两者贴合在一起后又固定在第二衬底22上。将装置放在溶液20中，在外力作用下第一薄膜层101和第二薄膜层102的至少部分表面能够发生接触和分离循环，同时通过第一导电层和第二导电层向外电路输出电信号。

为了方便说明。以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围。

本发明的基于双电荷层的发电机工作原理参见图2进行说明：将装置浸没在溶液20中，由于第一薄膜层101和第二薄膜层102的表面电荷密度不同，两者之间存在表面电荷量的差异(此处以第二薄膜层102的表面电荷量较低为例)，各自在表面吸引异种电荷离子形成双电荷层。在外力的作用下，第一薄膜层101和第二薄膜层102的距离靠近，当第一薄膜层101和第二薄膜层102靠近到1μm以下距离时，第一薄膜层101和第二薄膜层102表面附近的溶液和其中的离子被排开，此时第一薄膜层101和第二薄膜层102表面所带有的正或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽。由于第一薄膜层101的表面电荷量高于第二薄膜层102，两者在上下端的第一导电层201和第二导电层202中所感应出的电势会存在差异，因此两者之间存在电势差，电子会通过第一导电层201和第二导电层202向外电路形成电流。当外力发生变化时，第一薄膜层101和第二薄膜层102的距离发生变化，溶液中的异种电荷离子重新吸附在第一薄膜层101和第二薄膜层102的表面，此时第一薄膜层101和第二薄膜层102表面的电荷将再次被异种电荷离子屏蔽，上下端的第一导电层201和第二导电层202的电势平衡被破坏，导致电子通过第一导电层201和第二导电层202向外电路形成反向电流直到两者再次达到平衡。

根据上述的发电原理可以看出，第一薄膜层101和第二薄膜层102之间的表面电荷量的差异是产生可输出电信号的关键，以下的表面带电或者不带电材料均可用于本发明的第一薄膜层101和第二薄膜层102中，包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等。由于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供参考，但是这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制因素，因为在本发明的启发下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的不同表面带电量的特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第一薄膜层101和第二薄膜层102之间的表面电荷量的差异越大，发电机输出的电信号越强。所以根据上面所列出的材料并结合简单的对比实验，选择合适的材料作为第一薄膜层101和第二薄膜层102，以获得最佳的电信号输出性能。

此外，也可以对第一薄膜层101和第二薄膜层102进行物理化学改性，进一步提高薄膜表面的电荷密度，从而提高转移的电荷量和发电机的输出功率。在第一薄膜层101或第二薄膜层102表面进行官能团的引入来使其带有正电荷或者负电荷。官能团的引入可以采用等离子表面改性和化学修饰等物理化学方法。例如，使氧气和氨气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在薄膜层表面上引入氨基。用次氯酸钠溶液对聚酰亚胺材料进行化学刻蚀，从而在聚酰亚胺表面引入羧基。本领域的技术人员可以根据薄膜层的性质和表面化学键的种类，选择合适的处理方法，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

本发明并不限定第一导电层201和第二导电层202必须是软质材料，也可以选择硬性材料，因为导电材料的硬度并不影响其导电效果。第一导电层201和第二导电层202通过导线与外电路连接来输出发电机的电信号。

本发明并不限定第一薄膜层101和第二薄膜层102必须是软质材料，也可以选择硬性材料，因为材料的硬度并不影响两者之间的接触和分离效果。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择第一部件薄膜层101和第二部件薄膜层102的材料硬度。

第一导电层201和第二导电层202作为发电机的两个电极，需要具备能够导电的特性，可以选择常用的导电材料。本领域常用的材料为：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。具体导电层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。优选地，第一导电元件201和第二导电元件202的材料为铜、金、银或铂。

本发明的发电机中，第一薄膜层101和第二薄膜层102优选与第一导电层201和第二导电层202表面紧密接触，以保证电荷的诱导效率。可以采用沉积的方法在第一薄膜层101和第二薄膜层102表面上制备导电层，例如电子束蒸发、等离子体溅射或蒸镀等方法。此外，还可以将如铝箔之类的导电材料直接贴合在薄膜层上来充当导电层。

当发电机结构需要一定的强度时，可以添加第一衬底12和第二衬底22。当结构不需要时，也可以省略第一衬底12或第二衬底22。第一衬底12和第二衬底22可以为硬性材料，也可以为柔性材料。优选采用不可变形的绝缘硬性材料，例如有机玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材等。其厚度没有特别限制，可以根据强度需要自由选择。并且，设置第一衬底与第二衬底可以使摩擦发电机整体的机械强度得到增强。

可在结构中添加弹性部件，其作用为，发电机在静止状态或者不受外力作用时，使第一薄膜层101下表面和第二薄膜层102上表面正对并保持一定距离，当施加外力使第一薄膜层101下表面和第二薄膜层102上表面接触后两者可以分开。因此，如果施加到发电机上的外力不是恒定不变的情况下，第一薄膜层101和第二薄膜层102能够自主的交替发生接触和分离，那么弹性部件就不是必须具备的部件。但是当依靠施加的外力本身并不能使发电机正常工作时，就需要弹性部件的配合。弹性部件可以是常规的能够提供弹性的部件，既可以是能够提供拉伸弹性的部件，如弹簧、橡胶、聚氨酯弹性体、海绵等等，也可以是具有弹性弯曲形变的部件，例如金属薄片和热塑弹性体薄片等等。该弹性部件的厚度、形状和尺寸可以根据实际情况、综合机械强度和弹性来选择。这种选择都是本领域的技术人员可以很容易做出的常规选择。

本发明的摩擦发电机，其中的溶液20可以为纯净水、去离子水、极性液体、非极性液体或者其他溶液。只要液体中存在自由离子即可实现本发明的目的。

图3为本发明发电机的另一种典型的实施方式。第一部件和第二部件不仅可以相互平行的放置，还可以形成一定的角度。例如图3所示的另一种实施方式，第一部件，由第一薄膜层101、第一导电层201和第一衬底12组成；第二部件，由第二薄膜层102、第二导电层202和第二衬底22组成。第一导电层201和第二导电层202分别贴合在第一薄膜层101和第二薄膜层102背面。导电层和薄膜层两者贴合在一起后又固定在第一衬底12和第二衬底22上。第一部件和第二部件的一端通过弹性转轴40连接起来。在没有外力的情况下，第一部件和第二部件之间能够保持一定的角度，由此维持第一薄膜层和第二薄膜层表面的分离。当有外力施加时，弹性转轴40发生形变，使得第一薄膜层和第二薄膜层发生表面接触，当外力撤销后，由于弹性转轴40的弹性又使第一部件和第二部件恢复到一定的角度，第一薄膜层和第二薄膜层分离，完成一个发电循环。

上面给出了本发明所设计的多种发电机的典型结构，本领域的技术人员可以在这些结构的基础上进行简单变形，从而获得不同工作环境下的发电机，但是这样的变形都是在本发明所公开的基本构思下完成的，都属于本发明所保护的范围。

通过前面的描述，可以清楚的了解到本发明其实还公开了一种全新的发电方法，其特征在于使用本发明中公开的任何发电机，包括如下步骤：

(1)提供所述薄膜层；

(2)提供所述导电层；

(3)将所述导电层与外电路形成电连接；

(4)施加外力时所述薄膜层的至少部分表面之间形成至少一个接触-分离周期；

(5)在步骤(4)的过程中，通过所述导电层向外电路输出信号；

步骤(4)中所述薄膜层和所述导电层完全接触；

步骤(4)中施加的是方向周期翻转或大小周期性变化的持续外力。

以下给出具体实施例。

实施例1

利用激光切割两个长3cm×宽3cm×厚5mm的有机玻璃板，在相同的聚酰亚胺薄膜层的背面沉积一层铝作为导电层，并通过导线引出电信号，然后将其贴合在两个有机玻璃板上使聚酰亚胺表面露出，用PDMS胶在薄膜层和导电层的四周密封进行防水。将封装完毕的其中一片聚酰亚胺进行表面处理，增大表面电荷密度。将装置浸没在溶液中，使两聚酰亚胺薄膜层表面相对，并通过外力控制两个聚酰亚胺表面的接触和分离，检测电信号输出。图4a是开路电压图，图4b是为33uF的商用电容充电过程中测量到的电压值，证实发电机的输出电信号确实可为电容充电。图5为纳米发电机可以点亮LED灯泡。

实施例2

利用激光切割两个长3cm×宽5cm×厚5mm的有机玻璃板，将两块有机玻璃板呈一定角度放置，将两块玻璃板的一边通过弹性部件连接。在相同的PET薄膜层的背面沉积一层Ag作为导电层，并通过导线引出电信号。将其固定在上述两块有机玻璃板上，进行密封防水处理。将封装完毕的其中一个PET薄膜层进行表面处理，增大表面电荷密度。将装置浸没在溶液中，使两个PET薄膜层表面相对，并通过外力控制两个PET表面的接触和分离，检测电信号输出。

Claims (10)

1.一种基于双电荷层的发电机，其特征在于设有第一部件和第二部件，第一部件设有第一薄膜层和第一导电层，第二部件设有第二薄膜层和第二层电层，所述第一薄膜层背面贴合第一导电层，第二薄膜层背面贴合第二导电层；第一薄膜层表面在工作环境中带有正电荷或负电荷；当第一薄膜层与第二薄膜层之间分离的距离大于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带电荷与所吸附的异种电荷离子之间形成电荷平衡，总电荷保持中性；当第一薄膜层与第二薄膜层之间的距离小于1μm时，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面的溶液和溶液中的离子被排开，第一薄膜层表面与第二薄膜层表面所带有的正电荷或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽；第一薄膜层背面贴合的第一导电层和第二薄膜层背面贴合的第二导电层中感应出电势差，驱动电子在第一导电层与第二导电层之间连接的外电路流动，形成电流。

2.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层的尺寸和形状相同；所述第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中至少有一层带有正表面电荷或负表面电荷；第一薄膜层和第二薄膜层在水溶液中存在表面电荷密度差异。

3.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料相同或不同，第一薄膜层和第二薄膜层的材料包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶表面可带电或者不带电的材料中的至少一种。

4.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一薄膜层和第二薄膜层的厚度均为5nm～1cm。

5.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一导电层和第二导电层分别与外电路电信号输出端连接，通过电信号输出端向外输送能量。

6.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一导电层和第二导电层选自金属、导电氧化物、掺杂的半导体、导电有机物导电材料中的一种；所述金属选自铝、银、镍、铜、铂、金、铬以及由上述金属形成的合金；所述导电氧化物为铟锡氧化物；所述导电有机物选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩中的一种。

7.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述工作环境为水溶液，所述水溶液直接放置于海洋、河流、湖泊任意水体中；所述发电机工作的外力包括潮汐、波浪可提供动能的水体能量，或人体运动、风、环境震动机械能。

8.如权利要求1所述一种基于双电荷层的发电机，其特征在于所述第一部件设有第一衬底，第二部件设有第二衬底；所述第一衬底和第二衬底采用硬性材料或柔性材料，所述硬性材料选自有机玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材。

9.基于双电荷层的发电方法，其特征在于采用如权利要求1～8所述一种基于双电荷层的发电机，所述方法包括以下步骤：

1)提供分隔放置的第一部件和第二部件，并将第一导电层和第二导电层分别与电信号输出端的两端连接，所述电信号输出端连接外电路；

2)使第一部件与第二部件交替接触；

3)通过电能或电信号输出端向外输出电信号。

10.如权利要求9所述基于双电荷层的发电方法，其特征在于在步骤2)中，所述交替接触是通过改变第一部件与第二部件的间距所造成的接触和分离实现；第一部件的第一薄膜层和第二部件的第二薄膜层两者的表面电荷极性不同或者带电量不同。

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