CN110482607B - 一种高晶界密度MoO3纳米晶、及其制备和在芳伯醇催化氧化中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于催化材料领域,具体涉及一种高晶界密度MoO3纳米晶,其晶界密度不低于30,000m/mg。此外,本发明还提供了通过多孔Mo在450‑550℃的温度下氧化烧结得到所述高晶界密度MoO3纳米晶的制备方法。本发明还提供了所述的高晶界密度MoO3纳米晶将其用作芳伯醇氧化制备芳基甲酸的催化剂的应用。本发明研究发现,MoO3纳米晶的晶界密度对芳伯醇催化氧化性能有重大影响,并进一步研究发现,控制在所要求的高晶界密度的条件下,其可以在芳伯醇氧化的反应中表现出优异的催化活性,其不仅具有优异的催化转化性能,还具有优异的循环稳定性。
Description
技术领域
本发明属于无机材料和催化技术领域,具体是涉及一种性能高效,成本低廉的具有良好催化活性的高晶界密度MoO3纳米晶。
背景技术
芳香醇如苯甲醇的选择性氧化的产物,如苯甲醛,苯甲酸作为香料原料、合成染料中间体和药物的原料,在有机合成和工业化学中具有重要作用。
现有技术报道了一些芳香醇如苯甲醇催化氧化的催化剂,但主要为贵金属催化剂,例如包括负载金、铂、钯、铑和双金属纳米粒子等。如将金纳米粒子沉积在BiOCl表面,在可见光照射下,对苯甲醇的选择性氧化反应活性较高,转化率达75.6%;Pd@N掺杂碳在催化苯甲醇氧化方面表现出极大的活性,在120℃, 1.0MPaO2下,达到极高的TOF:157,747h-1;高效Rh超细纳米线用于苯甲醇的充氧氧化,在90℃,1atm O2条件下,苯甲醇转化率达到99.39%。但是贵金属催化剂普遍成本较高,难以实现大规模生产。为达到经济要求,非贵金属催化剂应用于苯甲醇氧化的反应有待研究与突破。
O2在自然界中含量丰富,空气中约占21%,便于分离获得,使反应条件更为温和环保。如相对于H2O2,O2更为廉价易得;相对于有机氧化剂,O2更为环境友好。但对于非贵金属催化剂,很难在维持催化效率高的同时,利用O2作为氧化剂。如硅负载铜络合物具有显著的高活性,在60℃下通过有机氧化剂完全转化苯甲醇;甲苯磺酸Fe(III)盐以H2O2为最终氧化剂,在70℃条件下氧化苯甲醇,产物收率为72.4%;除外,P掺杂多孔碳材料也被证明是一种能够催化苯甲醇氧化的催化剂,在100℃下利用1atm O2作为氧化剂,苯甲醛选择性为>99%,而苯甲醇的转化率仅为48%。
总而言之,开发高效的非贵金属催化剂,且以O2选择性氧化苯甲醇仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
本发明第一目的在于,提供一种高晶界密度MoO3纳米晶,且发现其能够高效催化芳伯醇羟基氧化。
本发明第二目的在于,提供一种可制得所述的高晶界密度MoO3纳米晶的制备方法。
本发明第三目的在于,提供所述的高晶界密度MoO3纳米晶催化芳伯醇羟基氧化中的应用。
本发明第四目的在于,提供一种包含所述的高晶界密度MoO3纳米晶的芳伯醇氧化催化剂。
本发明第五目的在于,提供所述的芳伯醇氧化催化剂的应用方法。
一种高晶界密度MoO3纳米晶,其晶界密度不低于30,000m/mg。
本发明提供了一种全新微观高晶界密度的MoO3纳米晶。本发明研究发现, MoO3纳米晶的晶界密度对芳伯醇(带有芳香取代基的伯醇)催化氧化性能有重大影响,并进一步研究发现,控制在所要求的高晶界密度的条件下,其可以在芳伯醇氧化的反应中表现出优异的催化活性,其不仅具有优异的催化转化性能,还具有优异的循环稳定性。
本发明还研究发现,晶界密度越高、其对芳伯醇催化氧化性能转化率和选择性越优。
作为优选,所述的MoO3纳米晶的晶界密度为不低于100,000m/mg;进一步优选不低于200,000m/mg;最优选为230,000~300,000m/mg。
本发明还公开了一种所述的高晶界密度MoO3纳米晶的制备方法,将多孔 Mo在450-550℃,优选500℃的温度下氧化烧结得到。
本发明研究发现,创新地以多孔Mo作为原料,且在所要求的特殊温度下进行氧化焙烧,可以出人意料地获得所述的高晶界密度的MoO3纳米晶。
本发明所述的制备方法,关键在于所述的多孔Mo的使用以及所述的温度的特殊控制,如此方可出人意料地制得所述的在芳伯醇催化氧化中具有优异催化活性的高晶界密度的MoO3纳米晶。研究还发现,未采用多孔Mo进行煅烧,仅能获得无晶界MoO3纳米颗粒;此外,MoO3煅烧温度未控制在本发明要求的条件下,仅能获得低晶界密度MoO3纳米晶。
本发明中,所述的多孔Mo可以采用现有的方法获得。
所述的多孔Mo由Mo-A合金经选择性脱除金属A后得到;所述的A为可酸蚀的金属元素。
优选地,所述的A为Fe。
进一步优选地,所述的Mo-A合金为MoFe合金。
Mo-A合金中,Mo的含量为40-55%,优选为45%。
作为优选,酸蚀过程的酸为无机强酸,优选为硫酸;所述的硫酸的摩尔浓度优选为10~18.4mol/L。
作为优选,酸蚀过程的酸的用量不低于将Mo-A合金中的A完全反应的理论摩尔量。
作为优选,酸蚀过程的温度为140-155℃,进一步优选为150℃。
进一步优选,将MoFe粉末通过硫酸刻蚀可以得到多孔Mo,所述的MoFe 粉为含Mo40~50%的粉末;所述的硫酸优选为10~18.4mol/L硫酸;所用酸的量不低于将MoFe粉末中Fe完全反应的理论量,优选为理论量的2~10倍;刻蚀温度为140~160℃。优选的制备方法,MoFe粉末通过硫酸刻蚀可以得到多孔Mo,而多孔Mo在所述的温度下进行煅烧,可以出人意料地获得高晶界密度MoO3纳米晶。
作为优选,氧化焙烧过程在含氧气氛下进行。
优选地,所述的含氧气氛为氧气、空气、或者空气与保护气的混合气体。
研究发现,氧化焙烧的温度对制得MoO3的晶界密度重要影响,通过研究发现,控制在所要求的温度下,可以获得高晶界密度的MoO3。
作为优选,氧化焙烧的温度为450~550℃;进一步优选为490~510℃。
优选地,氧化焙烧过程的时间为0.8-1.2h,进一步优选为1h。
进一步优选的制备方法,将多孔Mo在含氧气氛、500℃下煅烧得到。
本发明还提供了一种所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,将其用作芳伯醇氧化制备芳基甲酸的催化剂。
本发明创新地发现MoO3纳米晶的晶界密度与芳伯醇的伯羟基催化氧化性能存在重要影响,将其控制在所要求的晶界密度下可以出人意料地具有优异的芳伯醇催化性能。
所述的芳伯醇为具有式1结构式的化合物;
Ar-CH2OH 式1
所述的Ar为芳香基团。
本发明研究意外发现,高晶界密度MoO3纳米晶能够特异地对带有芳香基团的伯醇羟基具有高转化、高选择性的催化性能,其可以出人意料地高效催化 Ar-CH2OH氧化成Ar-COOH,不仅如此,其还具有优异的循环稳定性。
作为优选,Ar为苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、或者由苯环、五元芳杂环、六元芳杂环中的两个及以上的芳香环并合形成稠环芳基;所述的苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、稠环芳基的芳香环上允许带有取代基,所述的取代基优选为供电子取代基、吸电子取代基。所述的供电子取代基例如为C1~C6的烃基、 C1~C6的烷氧基、C1~C6的烷氨基;所述的吸电子取代基例如为卤素、硝基、三氟甲基等。
作为优选,所述的应用,氧化过程的氧化剂为含氧气体,所述的为氧气、空气、或者空气与保护气的混合气体。本发明研究发现,所述所述的高晶界密度 MoO3纳米晶可以高效催化Ar-CH2OH和氧气的氧化反应,高效、高收率地获得 Ar-COOH。
优选地,所述的氧化过程,催化剂与芳伯醇的摩尔比为1:60~70。
优选地,氧化过程的温度为110-150℃,进一步优选为120℃。
优选地,氧化过程的含氧气体压强为3-8atm;进一步优选为5atm。
本发明还提供了一种芳伯醇氧化催化剂,包含所述的高晶界密度MoO3纳米晶。
优选地,所述的芳伯醇氧化催化剂中,所述的高晶界密度MoO3纳米晶的含量不低于0.01%;优选不低于1%,进一步优选不低于10%,更进一步优选不低于50%。本发明所述的芳伯醇氧化催化剂,可以为包含100%的所述的高晶界密度MoO3纳米晶。
进一步优选,所述的催化剂中,还允许含有负载所述的高晶界密度MoO3纳米晶的载体。
本发明还提供了所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,用于催化芳伯醇羟基氧化得到相应芳基羧酸;
作为优选,所述的芳伯醇氧化催化剂的应用方法和所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用条件相同,例如,氧化过程的氧化剂为含氧气体。所述的氧化过程,芳伯醇氧化催化剂与芳伯芳伯醇的摩尔比为1:60~70;温度优选为110-150℃。含氧气体压强优选为3-8atm。
有益效果
1.本发明提供了高晶界密度MoO3纳米晶。
2、本发明创新地发现MoO3纳米晶和芳伯醇催化氧化活性具有重要影响,并进一步发现,将MoO3纳米晶的晶界密度控制在所要求的范围下,可以显著提升芳伯醇催化氧化活性。
3、本发明创新地提供了一种可以获得高晶界密度的MoO3纳米晶的方法,其创新地采用多孔Mo作为原料、配合所述的氧化烧结温度的控制,可以获得优异催化性能的高晶界密度MoO3纳米晶。研究还发现,当烧结温度处于700℃及以上时,得到具有低晶界密度的MoO3纳米晶催化剂。此外,未采用多孔钼进行煅烧,仅获得无晶界MoO3纳米颗粒。本发明进一步研究发现,在近500℃煅烧得到的高晶界密度的MoO3纳米晶具有极高的催化活性。
4、本发明的催化剂制备简单,操作方便,环境友好,催化效率高,可循环使用。因此,本发明用于提高催化芳伯醇氧化效率,具有良好的经济和环境效益。
附图说明
图1是本发明实施例1,对比例1中,在25℃下用苯甲醇氮气鼓泡处理后, MoO3-500和MoO3-NPs纳米晶体的原位DRIFT光谱。
图2是本发明实施例1,MoO3-500纳米晶体Mo 3d XPS光谱,和在25℃下用苯甲醇氮气鼓泡处理后的准原位Mo 3dXPS光谱。
图3是本发明实施例1,MoO3-500纳米晶体O 1s XPS光谱,和在25℃下用苯甲醇氮气鼓泡处理后的准原位O 1s XPS光谱。
图4是本发明实施例1中,MoO3-500纳米晶体的HAADF-STEM图像
图5是本发明实施例1中,单个MoO3-500纳米晶体的HAADF-STEM图像。
图6是本发明实施例1,对比例1,对比例2中,MoO3-500,MoO3-700和 MoO3-NPs的XRD图。
图7是本发明实施例1,对比例1,对比例2中,MoO3-500,MoO3-700和 MoO3-NPs与商业Pt/C在苯甲醇氧化中,作为催化剂于120℃,5atm O2下催化 12小时的苯甲醇转化率图。
图8是本发明实施例1,对比例1,对比例2中,MoO3-500,MoO3-700和 MoO3-NPs与商业Pt/C在苯甲醇氧化中,作为催化剂于120℃,5atm O2下催化 12小时的质量活性比较图。
图9是本发明实施例1中,MoO3-500转化率与选择性图。
图10是本发明实施例1中,MoO3-500的循环使用稳定性图。
图11是本发明实施例1中,MoO3-500在120℃下催化对甲氧基苯甲醇,对甲基苯甲醇,对氟苯甲醇,邻氯苯甲醇,邻溴苯甲醇产率图,以证明MoO3-500 应用的广泛性。
图12为晶界密度以及焙烧温度的线型拟合图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明,但是需要指出的是,本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制,而是由权利要求书来确定。
实施例1
一种胺的甲基化反应的高密度晶界催化剂的制备方法,及在胺甲基化反应的应用,包括以下步骤:
1.合成MoO3-500(高密度晶界的氧化钼纳米催化剂)
1)向洗净的单口烧瓶中放入搅拌子,加入27.86mL水,2.14mL浓硫酸,在磁力搅拌器上搅拌3min,再加入0.4g MoFe合金粉末。
2)打开油浴锅开关开始加热,150℃下恒温搅拌5h。
3)将混合物冷却至室温后,通过离心收集沉淀物,分别用去离子水水洗两次,乙醇洗一次,第一次10000rpm离心5分钟,后面两次用8000pm/min,5min 离心。
4)倒掉乙醇后放入水热箱中80度干燥60min,得到多孔Mo。
5)将得到的多孔Mo在马弗炉中、空气气氛下加热至500℃,并保温煅烧1 小时,即可得到MoO3-500(高密度晶界的氧化钼纳米催化剂)。
2.苯甲醇氧化
1)在100mL三颈圆底烧瓶中加入0.5mL苯甲醇,10mg催化剂 (MoO3-500)和10mL乙酸乙酯作为溶剂,在室温下用5atm O2对反应器进行充放气三次。
2)在120℃搅拌下进行反应12小时。反应完成后,通过在12,000r.p.m. 下保持5分钟离心收集反应混合物的液相,通过GC-MS进行分析。
对上述方法制得的高密度晶界催化剂进行表征及其催化性能测试,其结果如下:
由图可知,MoO3-500的单晶是由多个晶粒组成的。
由图可以看出,随着反应时间增长,苯甲醇氧化转化率逐渐增加,最终12h 转化率达到93.44%。
反应过后计算质量活性为80.95mmol·g-1·h-1。
对比例1
和实施例1主要区别在于,煅烧的温度为700℃,具体包括以下步骤:
1.合成MoO3-700(低密度晶界的氧化钼纳米催化剂)
1)向洗净的单口烧瓶中放入搅拌子,加入27.86mL水,2.14mL浓硫酸,在磁力搅拌器上搅拌3min,再加入0.4g MoFe合金粉末。
2)打开油浴锅开关开始加热,150℃下恒温搅拌5h。
3)将混合物冷却至室温后,通过离心收集沉淀物,分别用去离子水水洗两次,乙醇洗一次,第一次10000rpm离心5分钟,后面两次用8000pm/min,5min 离心。
4)倒掉乙醇后放入水热箱中80度干燥60min,得到多孔Mo。
5)将得到的多孔Mo在马弗炉中、空气气氛下加热至700℃,并保温,即可得到MoO3-700(低密度晶界的氧化钼纳米催化剂)。
2.苯甲醇氧化
1)在100mL三颈圆底烧瓶中加入0.5mL苯甲醇,10mg催化剂 (MoO3-700)和10mL乙酸乙酯作为溶剂,在室温下用5atm O2对反应器进行充放气三次。
2)在120℃搅拌下进行反应12小时。反应完成后,通过在12,000r.p.m.下保持5分钟离心收集反应混合物的液相,通过GC-MS进行分析。
对上述方法制得的低密度晶界催化剂进行催化性能测试,其结果如下:
由图可以看出,随着反应时间增长,苯甲醇氧化转化率逐渐增加,然而增长较缓,最终12h转化率达到55.67%。
反应过后计算质量活性为12.94mmol·g-1·h-1。
对比例2
无晶界MoO3材料制备,和实施例1主要区别在于,不采用多孔Mo煅烧,具体包括以下步骤:
1.合成MoO3-NPs(无晶界氧化钼纳米颗粒)
1)称量0.137g MoCl5加入烧杯中(用烧杯称量),向烧杯中加入10ml甲醇,搅拌;
2)将液体用加入磁舟中。在烘箱中70℃干燥1h(风速先调至1档,待磁舟中液面略微下降之后调至3档);
3)干燥好后将磁舟放入300℃的马弗炉中煅烧1h。
2.苯甲醇氧化
1)在100mL三颈圆底烧瓶中加入0.5mL苯甲醇,10mg催化剂和10mL 乙酸乙酯作为溶剂,在室温下用5atm O2对反应器进行充放气三次。
2)在120℃搅拌下进行反应12小时。反应完成后,通过在12,000r.p.m.下保持5分钟离心收集反应混合物的液相,通过GC-MS进行分析。
对上述方法制得的低密度晶界催化剂进行催化性能测试,其结果如下:
由图可以看出,随着反应时间增长,苯甲醇氧化转化率逐渐增加,然而增长较缓慢,最终12h转化率达到23.50%。
反应过后计算质量活性为9.50mmol·g-1·h-1。
实施例1以及对比例1~2的晶界密度通过如下公式计算:
L grain boundary=grain boundary length in TEM image for catalysts(TEM图像中催化剂的晶界长度)
S grain surface=particle area in TEM image for catalysts(TEM图像中催化剂颗粒面积)
通过测量在TEM图像上描绘的线的长度来确定晶界长度L。S为催化剂颗粒的表面积,这里认为每个颗粒图像近似为矩形或矩形的组合。BET通过实验可计算得出。以这种方式测量晶界密度足以确定不同催化剂之间的相对密度,以评估其与催化性能的关系。MoO3-500和MoO3-700,MoO3-NPs的晶界密度分别测定为230,000,17,000和0m/mg(米/毫克)。MoO3-500的晶界密度比 MoO3-700高13.5倍,远高于没有晶界的MoO3-NPs。此外,MoO3-500催化的苯甲醇氧化转化率别是MoO3-700和MoO3-NPs的1.7倍和4.0倍。不同催化剂的晶界密度与其相应的催化性能之间存在很大的正相关关系。因此,晶界密度是影响催化性能的关键因素。
实施例2:
对实施例1制得的催化剂进行循环稳定性测试。具体方法如下:
催化反应在120℃下进行12h,第一轮反应后检测产物,反应完成后,通过在12,000r.p.m.下保持5分钟离心,收集催化剂,用酒精洗涤三次,再加入反应器进行下一轮反应。
测试结果见图10,测试数据见表1。
表1催化剂循环稳定性测试表
应用例1:
对实施例1制得的催化剂催化对甲氧基苯甲醇,对甲基苯甲醇,对氟苯甲醇,邻氯苯甲醇,邻溴苯甲醇氧化。具体方法如下:
1)在100mL三颈圆底烧瓶中加入0.5mL底物,10mg催化剂和10mL乙酸乙酯作为溶剂,在室温下用5atm O2对反应器进行充放气三次。
2)在120℃搅拌下进行反应12小时。反应完成后,通过在12,000r.p.m.下保持5分钟离心收集反应混合物的液相,通过GC-MS进行分析。
测试结果见图11,测试数据见表2。
表2底物分子拓展
通过表2可以看出,本发明制得的高晶界密度的材料的芳香伯醇具有特异的选择性催化氧化效果,但对烷烃类伯醇基本没有催化效果。
Claims (27)
1.一种高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,将其用作芳伯醇氧化制备芳基甲酸的催化剂;
所述的高晶界密度MoO3纳米晶的晶界密度不低于30,000m/mg。
2.如权利要求1所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的高晶界密度MoO3纳米晶的晶界密度不低于100,000m/mg。
3.如权利要求1所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的高晶界密度MoO3纳米晶的晶界密度不低于200,000m/mg。
4.如权利要求1所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的高晶界密度MoO3纳米晶的晶界密度为230,000~300,000m/mg。
5.如权利要求1所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的高晶界密度MoO3纳米晶由多孔Mo在450-550℃的温度下氧化烧结得到。
6.如权利要求5所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的多孔Mo由Mo-A合金经选择性脱除金属A后得到;所述的A为可酸蚀的金属元素。
7.如权利要求6所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的A为Fe元素。
8.如权利要求6所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,Mo-A合金中,Mo的含量为40-50%。
9.如权利要求6所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,酸蚀过程的酸为无机强酸。
10.如权利要求9所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,酸蚀过程的酸为硫酸。
11.如权利要求6所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,酸蚀过程的温度为140-155℃。
12.如权利要求5所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,氧化焙烧过程在含氧气氛下进行。
13.如权利要求12所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的含氧气氛为氧气、空气、或者空气与保护气的混合气体。
14.如权利要求5所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,氧化焙烧过程的时间为0.8-1.2h。
15.如权利要求1~14任一项所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,所述的芳伯醇为具有式1结构式的化合物;
Ar-CH2OH式1
所述的Ar为芳香基团。
16.如权利要求15所述的高晶界密度MoO3纳米晶的应用,其特征在于,Ar为苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、或者由苯环、五元芳杂环、六元芳杂环中的两个及以上的芳香环并合形成稠环芳基;
所述的苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、稠环芳基的芳香环上允许带有取代基,所述的取代基为供电子取代基或吸电子取代基。
17.如权利要求1所述的应用,其特征在于,氧化过程的氧化剂为含氧气体,所述的含氧气体为氧气、空气、或者空气与保护气的混合气体。
18.如权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的氧化过程,催化剂与芳伯醇的摩尔比为1:60~70;
氧化过程的温度为110-150℃;
氧化过程的含氧气体压强为3-8atm。
19.一种芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,用于催化芳伯醇羟基氧化,获得相应的芳基羧酸;
所述的芳伯醇氧化催化剂包含权利要求1~18任一项应用所述的高晶界密度MoO3纳米晶。
20.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,所述的芳伯醇氧化催化剂中,所述的高晶界密度MoO3纳米晶的含量不低于0.01%。
21.如权利要求19或20所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,所述的催化剂中,还含有负载所述的高晶界密度MoO3纳米晶的载体。
22.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,所述的芳伯醇为具有式1结构式的化合物;
Ar-CH2OH
所述的Ar为芳香基团。
23.如权利要求22所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,所述的Ar为苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、或者由苯环、五元芳杂环、六元芳杂环中的芳香环并合形成稠环芳基;所述的苯环、五元芳杂环、六元芳杂环、稠环芳基的芳香环上允许带有取代基,所述的取代基为供电子取代基、吸电子取代基。
24.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,氧化过程的氧化剂为含氧气体,所述的含氧气体为氧气、空气、或者空气与保护气的混合气体。
25.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,所述的氧化过程,催化剂的用量为芳伯醇摩尔量的1:60~70。
26.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,氧化过程的温度为110-150℃。
27.如权利要求19所述的芳伯醇氧化催化剂的应用,其特征在于,氧化过程的含氧气体压强为3-8atm。
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