CN111468109A - 一种针刺状氧化铝载体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种针刺状氧化铝载体,以多孔硅为模板,在其表面涂覆氧化铝,焙烧,氟气出硅模板获得针刺状的氧化铝载体,针刺状氧化铝的针刺分布为20‑40个/μm2,针刺尖端15‑25nm,相邻针刺尖端的距离130‑150nm,氧化铝针刺高度为5‑8μm,比表面积10‑13 m2/g,所述氧化铝载体通过模板法制备,氧化铝的尖端附近附着有银或者氟化银颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种针刺状氧化铝载体,属于催化剂载体制备领域,尤其适用于气固相反应领域。
技术背景
作为十分重要的催化剂载体和吸附剂,氧化铝在工业上广泛应用。多孔氧化铝除了具有普通氧化铝的优异性能之外,还具有高比表面积、大孔径、有序的介孔等突出特点,成为近年来研究的热点。
传统多孔氧化铝材料的制备方法较多,如取代法、发泡法(一般通过发泡剂或者减压产生气泡,形成一些无序大孔,但孔径、孔型分布不均,而备受限制)以及模板法。其中模板法以其简单的制备工艺,可控的孔形、结构而备受关注和青睐。该法是以微观有序结构的材料为模板,在模板空隙部分填充目标原料,待骨架成型后,利用高温热解或化学处理来除去模板,最终或者有序的大孔材料。目前生物模板法和有序凝胶微球法较为成熟。在制备过程中,应对模板的制材,除去模板的方法以及形成的孔型做出明确了解。如模板要易于制备、模板材料应有一定的稳定性、除去模板的过程中不会对目标多孔材料造成影响,且易于除去模板。
如CN101612581 A中记载 (1)以苯乙烯和二乙烯苯为单体,体积比=1∶3.8~4.4,加入质量为总单体质量2%~20%的表面活性剂司班80,及质量为总单体质量0.1%~2%的引发剂偶氮二异丁腈均匀混合后为油相,在搅拌下向油相中加入去离子水,使水相的体积分数在80%~90%,得到反相浓乳液,将浓乳液倒入模具中,50~80℃密封聚合24~48h,60~90℃干燥24~48h,得到整体型有机大孔模板; (2)铝水溶胶的制备以拟薄水铝石为前驱物,将3~6mg拟薄水铝石研细后分批加入60~90mL去离子水中,搅拌0.5~2h使其分散均匀,向拟薄水铝石悬浮液中缓慢滴加浓度为0.5~1mol L-1的稀硝酸胶溶,调节pH=3~4,室温下搅拌3~7h,得到铝水溶胶; (3)将步骤(1)中制备的整体型有机大孔模板放入封闭的容器中,在一定的真空条件下将步骤(2)制备的铝水溶胶抽入到聚苯乙烯模板的孔壁上,60~90℃下干燥12~24h,如此重复填充干燥几次,400~700℃预焙烧3~6h,升温速率为0.5~1℃/min,然后1200~1300℃焙烧2~4h,升温速率为5~10℃/min,即得到大孔整体式α-Al2O3载体;将大孔整体式α-Al2O3放入封闭的容器中,在真空度为0.06~0.1MPa条件下将铝水溶胶填充到大孔整体式α-Al2O3的孔壁上,60~90℃下干燥12~24h,如此重复填充干燥2~4次,400~600℃焙烧2~4h,升温速率为5~10℃/min,得到涂层γ-Al2O3,如此得到的载体M-γ/α-Al2O3具有介孔-大孔双重孔结构; (4)采用过体积浸渍法将介孔-大孔整体式α-Al2O3载体浸渍于活性组分Pt及助剂Ni的前驱液中12~24h,冷冻干燥12~24h,300~500℃下焙烧2~4h。简单而言,是先制备聚苯乙烯模板,然后在表面涂覆获得α氧化铝,获得多孔α氧化铝,接着在其表面涂覆获得γ氧化铝,所述α-γ氧化铝能够有效的保持聚苯乙烯模板的形状,即球形大孔结构,而言目前市面上制备的氧化铝多为球形结构,鲜有针刺状氧化铝的制备方法,且针刺状氧化铝在气固相反应中的阳极也较少。
发明内容
基于上述现有技术存在的问题,本发明提供了一种针刺状氧化铝载体,所述针刺状氧化铝的针刺分布为20-40个/μm2,针刺尖端15-25nm,相邻针刺尖端的距离130-150nm,氧化铝针刺高度为5-8μm,比表面积10-13 m2/g,所述氧化铝载体通过模板法制备,氧化铝的尖端附近附着有银或者氟化银颗粒。
进一步的,所述模板法的制备过程如下:(1)预处理硅基材料;(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒;(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔;(4)腐蚀扩孔;(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶;(6)高温焙烧;(7)重复步骤(5)和(6);(8)氟气体除去硅基材。
进一步的,步骤(1)预处理硅基材料的工艺如下:将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,重复清洗次数1-3次,然后再用10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥。
进一步的,步骤(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒的工艺如下:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2-3∶4-8,温度为30-35oC,时间为1-2min。
进一步的,步骤(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料的工艺参数:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.3-0.45M,H2O2的浓度为 0.3~0.4M,时间为 60-80min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化。
进一步的,步骤(4)腐蚀扩孔的参数如下:氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为30-40min,然后降温浸泡于10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复1-3次,以获得大孔径腐蚀孔。
进一步的,步骤(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶的过程如下:将3-5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入1.5-2 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅拌2-3 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面。
进一步的,步骤(6)高温焙烧参数为:300oC氮气保护干燥20-30min,然后1-2oC /min-1升至1100-1300oC,恒温干燥1-2h,自然降温。
进一步的,步骤(7)重复次数为2-4次。
进一步的,步骤(8)氟气体除去硅基材的加热温度为35-40oC,时间为1-2h。
进一步的,一种针刺状氧化铝载体的应用,其特征在于应用气固相催化反应领域。
关于上述针状氧化铝载体,及其载体的制备方法所使用的试剂、浓度、以及原理做出如下详细解释:
(1)关于预处理硅基材料: 将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,重复清洗次数1-3次,然后再用10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥。
无论何种表面处理工艺,要获得好效果,表面预处理是首要的条件,主要是由于单晶硅表面的氧化膜和油脂,如果不能有效除去氧化膜,会导致后续的银离子无法与硅基材接触,而导致银离子无法还原沉积,进而不会引发后续的催化腐蚀,如果不能除去油脂,会导致银离子在化学沉积过程中,分布不均匀,以及银离子的团聚现象,即上述的氧化膜和油脂的存在会严重影响多孔硅模板的孔道分布,此外,干燥应为惰性气氛干燥,避免氧化性气体的引入而在此形成氧化层。
(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒:步骤(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒的工艺如下:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2-3∶4-8,温度为30-35oC,时间为1-2min。
该过程为在晶体硅表面化学沉积Ag,硅片表面经 HF 处理后形成大量的Si-H键,Si-H具有较强的还原性,硝酸银中的Ag+具有较强的氧化性,两者发生氧化还原反应,Ag+获得电子被还原成 Ag 原子并以纳米颗粒的形式沉积在 Si 片表面形成不连续的 Ag 颗粒薄膜, Ag 粒子的尺寸、间距直接决定孔道的尺寸和间距。
本发明中,AgNO3浓度优选控制为2-3mM,镀银时间在 1-2min以内,尺寸一般分布在 100~300nm 范围内,Ag 颗粒在整个基底表面均匀分布,严格控制硝酸银中Ag离子的浓度,如银离子浓度过大,会导致腐蚀的点太多,孔道太过密集,不利于后续的填充,如果银离子浓度过低,孔道太过稀疏,也不利于后续的填充。
此外,关于选用的催化金属为Ag,而非Au或Pt,通常。Ag和Au是常用的催化金属,能够在特定的方向上垂直地向下刻蚀,但对于Pt颗粒,其运动情况则较为复杂,有报道称观察到其竖直的、螺旋的、无方向性的运动轨迹。
主要是基于后续催化剂制备过程中活性组分的选择考虑,此外,Ag的沉积尺寸控制较为成熟,易于形成均匀的孔道。
(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.3-0.45M,H2O2的浓度为 0.3~0.4M,时间为 60-80min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化。
Ag 粒子作为催化剂,Ag 粒子下面的 Si 被刻蚀液中的氧化剂(如H2O2) 氧化成SiO2并被 HF 溶解,导致 Ag 粒子下沉,因此,有 Ag 粒子覆盖的位置,Si 被逐渐向下刻蚀形成“坑道”。由于Ag 颗粒薄膜是不连续的,相邻 Ag 粒子之间的空隙未被刻蚀,导致相邻的“坑道”之间形成硅纳米线。刻蚀的涉及的反应方程式如下:
2Ag+H2O2+2H+→2Ag++2H2O;
Si +4Ag++6F-→4Ag+SiF6 2-;
Si0+ 2H2O2+ 6F-+ 4H+→SiF62-+ 4H2O;
此外,HF、H2O2的浓度,腐蚀的时间对于孔道的形状和是否垂直腐蚀,至关重要要,
通常使用α=HF/(HF+H2O2)对其孔道结构进行评估,如果α位于0.7和1之间,腐蚀的空洞为圆柱形,如果α在0.2-0.7之间,获得的为锥形空洞,当α低于0.2时,几乎无明显孔道,本申请优选HF和H2O2为1:1,形成锥形空洞,利于后续形成针刺状氧化铝材料。
此外,腐蚀过后,可以使用空气进行干燥,而无需惰性气氛干燥,主要是用于后续的扩孔处理需要进行氧化,如果使用惰性气氛进行干燥,浪费资源。
(4)腐蚀扩孔:氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为30-40min,然后降温浸泡于10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复1-3次,以获得大孔径腐蚀孔。
由于银离子尺寸一般分布在 10~30nm,腐蚀后,获得孔道开口处的孔径为70-200nm,对于后续氧化铝溶胶的填充而言,孔道较小,因此需要对此进行扩孔,通过在高温下,对硅基材进行氧化处理,在孔道表面形成一层氧化层,之后通过HF去除氧化层,可以较为轻松实现扩孔目的,如果一次扩孔无法达到所述的孔道尺寸,则可以多次腐蚀扩孔,本发明最优的孔道尺寸为1-3μm,如附图3和附图4所示。
(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶的过程如下:将3-5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入1.5-2 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅拌2-3 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面。
(6)步骤(6)高温焙烧参数为:300oC氮气保护干燥20-30min,然后1-2oC /min-1升至1100-1300oC,恒温干燥1-2h,自然降温。
(7)重复步骤(5)和(6);
关于选用高温焙烧的原因,基于氧化铝晶型对于催化剂载体的强度和催化性能的影响,如果不进行焙烧,所述形成γ-Al2O3为粉末,无法保持针刺状结构,而α-Al2O3的强度高,可以有效的保持模板的形状,本发明选用α-氧化铝作为基材,焙烧温度1100-1300oC,氧化铝由γ-Al2O3经δ-Al2O3过渡到α-Al2O3,且α-Al2O3载体相比于其他氧化铝晶型具有更好的低温活性,如附图5的XRD所示,经过高温焙烧的氧化铝为α-Al2O3,衍射峰型尖锐,晶型结构完美。
此外,步骤(5)-(6)需要多次进行,是因为在焙烧过程中失水以及晶型的改变,会使得氧化铝发生收缩,煅烧过程中使用氮气作为保护气,以保护硅基材模板。
(8)氟气体除去硅基材的加热温度为35-40oC,时间为1-2h:使用氟气除去氧化硅,而避免使用碱或者酸对基材进行腐蚀,是由于氧化铝为两性氧化物,虽然α氧化铝的耐酸碱性优于硅基材,但是在腐蚀基材的过程中会造成针刺状氧化铝尖端的腐蚀,因此避免选用酸碱除去基材,而该用氟气体,氟与硅简单加热,较容易发生反应并挥发,而α氧化铝需要在熔融高温条件下才会与氟发生反应,条件苛刻。
(9)本发明无需使用硝酸除去Ag离子,所述银离子作为助金属,改善催化活性用,节省处理过程,获得的针刺状氧化铝结构如附图1和附图2所示。
(10)银离子在氧化铝表面以金属银或者氟化银的形式存在,因此整个催化剂载体在使用过程中应控制水的用量,以免氟化银溶于水而失效。
本发明所述方案具有以下有益效果:
(1)通过有效控制Ag颗粒在硅基材表面的分布状况和粒径,进而通过金属催化腐蚀获得尺寸和形态较为均匀的腐蚀孔。
(2)通过扩孔处理,有效的实现了定向腐蚀,并提高了孔容,方便后续的氧化铝溶胶的涂覆。
(3)所述硅孔道结构完整,界面清晰,孔道均匀,获得的氧化铝为针刺状结构。
(4)Ag金属颗粒无需去除,且负载于氧化铝尖端,可用于气-固相催化反应的活性组分。
附图说明
图1为本发明的针刺状氧化铝SEM截面图。
图2为本发明的针刺状氧化铝SEM俯视图。
图3为本发明的扩孔后的硅基材SEM俯视图。
图4为本发明的扩孔后的硅基材SEM放大图。
图5为本发明的α-氧化铝的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
一种针刺状氧化铝载体, 包括如下步骤:
(1)预处理硅基材料:将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,清洗次数1次,然后再用10wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥;
(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2∶4,温度为30oC,时间为1min;
(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.3M,H2O2的浓度为 0.3M,时间为 60min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化;
(4)腐蚀扩孔;氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为30min,然后降温浸泡于10wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复1次,以获得大孔径腐蚀孔;
(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶:将3 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入1.5 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅拌2 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面;
(6)高温焙烧:300oC氮气保护干燥20min,然后1oC /min-1升至1100oC,恒温干燥1h,自然降温;
(7)重复步骤(5)和(6),重复次数为2次。
(8)氟气体除去硅基材,氟气体除去硅基材的加热温度为35oC,时间为1h,获得针刺状氧化铝载体。
实施例2
一种针刺状氧化铝载体, 包括如下步骤:
(1)预处理硅基材料:将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,重复清洗次数2次,然后再用12.5wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥;
(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2.5∶6,温度为32.5oC,时间为1.5min;
(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.35M,H2O2的浓度为 0.35M,时间为 70min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化;
(4)腐蚀扩孔;氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为35min,然后降温浸泡于12.5wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复2次,以获得大孔径腐蚀孔;
(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶:将4g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入1.75 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅拌2.5 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面;
(6)高温焙烧:300oC氮气保护干燥25min,然后1.5oC /min-1升至1200oC,恒温干燥1-2h,自然降温;
(7)重复步骤(5)和(6),重复次数为3次。
(8)氟气体除去硅基材,氟气体除去硅基材的加热温度为37oC,时间为1.5h,获得针刺状氧化铝载体。
实施例3
一种针刺状氧化铝载体, 包括如下步骤:
(1)预处理硅基材料:将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,重复清洗次数3次,然后再用15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥;
(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶3∶8,温度为35oC,时间为2min;
(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.45M,H2O2的浓度为 0.4M,时间为80min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化;
(4)腐蚀扩孔;氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为40min,然后降温浸泡于15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复3次,以获得大孔径腐蚀孔;
(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶:将5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入2 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅3 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面;
(6)高温焙烧:300oC氮气保护干燥30min,然后2oC /min-1升至1300oC,恒温干燥2h,自然降温;
(7)重复步骤(5)和(6),重复次数为4次。
(8)氟气体除去硅基材,氟气体除去硅基材的加热温度为40oC,时间为2h,获得针刺状氧化铝载体。
通过实施例1-3的样品测试和统计,得出所述针刺状氧化铝的针刺分布为20-40个/μm2,针刺尖端15-25nm,相邻针刺尖端的距离130-150nm,氧化铝针刺高度为5-8μm,比表面积10-13 m2/g。
以上,虽然通过优选的实施例对本实用发明进行了例示性的说明,但本实用发明并不局限于这种特定的实施例,可以在记载于本发明的保护范围的范畴内实施适当的变更。
Claims (10)
1.一种针刺状氧化铝载体,其特征在于所述针刺状氧化铝的针刺分布为20-40个/μm2,针刺尖端15-25nm,相邻针刺尖端的距离130-150nm,氧化铝针刺高度为5-8μm,比表面积10-13 m2/g,所述氧化铝载体通过模板法制备,氧化铝的尖端附近附着有银或者氟化银颗粒。
2.如权利要求1所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于所述模板法的制备过程如下:(1)预处理硅基材料;(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒;(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料,获得腐蚀孔;(4)腐蚀扩孔;(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶;(6)高温焙烧;(7)重复步骤(5)和(6);(8)氟气体除去硅基材。
3.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(1)预处理硅基材料的工艺如下:将单晶硅片裁剪至合适尺寸,然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污,重复清洗次数1-3次,然后再用10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,去离子水洗涤,惰性气氛下干燥。
4.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(2)在硅表面化学沉积Ag颗粒的工艺如下:化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液,AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2-3∶4-8,温度为30-35oC,时间为1-2min。
5.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(3)Ag颗粒催化腐蚀硅材料的工艺参数:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液,HF浓度为0.3-0.45M,H2O2的浓度为0.3~0.4M,时间为 60-80min,温度为常温,腐蚀后离子水洗涤,空气干燥氧化。
6.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(4)腐蚀扩孔的参数如下:氧化温度为700oC,在单晶硅表面形成无序氧化硅,时间为30-40min,然后降温浸泡于10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层,所述腐蚀扩孔步骤可重复1-3次,以获得大孔径腐蚀孔。
7.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(5)向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶的过程如下:将3-5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后,加入1.5-2 M HNO3,获得氧化铝水溶胶持续搅拌2-3 h,将步骤(4)获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中,抽真空,将氧化铝溶胶填充于孔道表面。
8.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(6)高温焙烧参数为:300oC氮气保护干燥20-30min,然后1-2oC /min-1升至1100-1300oC,恒温干燥1-2h,自然降温。
9.如权利要求2所述的一种针刺状氧化铝载体,其特征在于步骤(8)氟气体除去硅基材的加热温度为35-40oC,时间为1-2h。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种针刺状氧化铝载体的应用,其特征在于应用气固相催化反应用载体领域。
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