CN113078330B - 一种掺杂多孔碳载铂催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备方法,首先制备负载单原子铁的氮磷掺杂的碳纳米片;随后通过水热法制备三维多孔碳纳米片;接着制备本身对氧还原反应具有优异活性的铁钴负载的三维多孔碳纳米片;最后通过热还原法将少量铂沉积在铁钴负载的三维多孔碳纳米片上,得到掺杂多孔碳载铂催化剂。本发明以负载单原子铁的三维多孔氮磷碳纳米片为基体,通过分批热解法得到低铂载量的掺杂多孔碳载铂催化剂;通过控制热解方式,强化金属纳米颗粒之间以及和氮磷等之间的结合,并通过金属化合物自身的碳氮元素在热解时形成碳氮覆盖层,进一步强化了金属纳米颗粒的稳定性。本发明掺杂多孔碳载铂催化剂在燃料电池领域有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电化学能源材料领域,具体涉及到一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备与应用。
背景技术
金属铂是一个在催化领域有着其它金属难以替代的催化剂,尤其在电化学催化方面,铂及其合金在很多电化学过程具有非常优异的电化学活性,一个典型的例子就是氧还原反应(ORR),由于ORR本身的付出了体魄过程缓慢,所以合适的电催化剂对ORR的高效催化就显得特别重要。在所有的金属中,铂是ORR最高效的催化剂。虽然目前有大量的非铂类电催化剂也表现出优异的ORR电活性,但在实际应用中,如在质子交换膜燃料电池中,长时间运行将导致这类非铂类电催化剂的活性严重下降,主要原因是ORR进行时的中间体产物(主要是过氧化物)不断积累,引进催化剂活性下降;此外,这类非铂类电催化剂中的其它金属纳米颗粒本身并不稳定,而且较易团聚,同样导致电催化剂活性下降。为了避免这些问题,使用铂基纳米电催化剂仍然是质子交换膜燃料电池最合适的选择。
要使铂基纳米电催化剂在电池中得到实际应用,其中一个重要问题,即成本问题必须解决。因此,开发低载量铂催化剂对于燃料电池的大规模实际应用具有重要意义。
本发明的主要目的是解决低载量铂催化剂活性较低、铂纳米颗粒稳定性较差等关键问题。为此,本发明首先制备出负载单原铁的氮-磷掺杂的三维多孔碳纳米片材料;随后通过热解法,将铁/钴纳米颗粒负载在该碳纳米片材料上;接着,通过溶液浸渍法,将有机铂化合物均匀浸润于三维多孔碳内部;最后在一定温度下热处理,得到一种掺杂多孔碳载铂催化剂。本发明的这种掺杂多孔碳载铂催化剂具有铂含量低、金属纳米颗粒稳定、ORR活性高等特点,是质子交换膜燃料电池优异的阴极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种掺杂多孔碳载铂催化剂,本发明的目的还提供了一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备方法与应用。
为达到上述目的,本发明的实施方案为:一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁与无水乙醇混合,将该混合物充分研磨,随后将乙醇蒸干,在400C下干燥,得到前驱体-1;
所述双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁的质量比为(9-11):(0.5-1.5):(0.3 ~ 1):(0.1-0.3);所述无水乙醇的体积与双氰胺的质量之比为(90-110)mL:(9-11)g;
(2)将上述前驱体-1在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至5500C,在此温度下保持一定时间后再升至8000C,并在此温度下保持一定时间后冷却至室温,得到前驱体-2;
(3)将前驱体-2与水混合,在超声作用下形成浓度为1g×L-1的均匀分散液,然后在该分散液中加入浓度为40 %的水合肼,保持分散液与水合肼的体积之比为100:2;随后加热至150oC,在此温度下保持一定时间后冷却至室温,将固体用水洗涤后,得到的黑色颗粒于400C下真空干燥,最后充分研磨,得到前驱体-3;
(4)将铁化合物和钴化合物混合,充分研磨均匀后,按无水乙醇:铁化合物=100mL:1 g的比例加入无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理后将乙醇蒸干,在400C下干燥,得到的固体混合物在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持一定时间后冷却至室温,得到前驱体-4;
所述铁化合物为二茂铁,或酞菁铁(II);或乙酰丙酮铁;所述钴化合物为酞菁钴,或乙酰丙酮钴;所述铁化合物和钴化合物的质量比为(0.5-1.5):(0.02 ~ 0.5);所述铁化合物中铁的质量与前驱体-3的质量比为(0.05 ~ 0.15):(0.5-1.5);
(5)将铂化合物与无水乙醇混合,在充分搅拌下将铂化合物溶解,形成浓度为2mmol×L-1的铂化合物溶液;此外,将前驱体-4与无水乙醇按1g:60mL的比例混合,超声处理,形成前驱体-4分散液;随后,量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,超声处理后蒸去乙醇,所得固体于400C下干燥,得到前驱体-5;
所述铂化合物为乙酰丙酮铂,或酞菁铂;所述量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,其中铂化合物溶液与前驱体-4分散液的体积比为(60-80):(20-40);
(6)将前驱体-5在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至300~6000C,在此温度下保持一定时间后再以100C×min-1的升温速率继续加热至8000C,并迅速冷却至室温,所得黑色粉末即为掺杂多孔碳载铂催化剂。
作为优选,步骤(1)中所述双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁的质量比为10:1:(0.3~ 1):0.2;所述无水乙醇的体积与双氰胺的质量之比为100mL:10g;步骤(4)中所述铁化合物为二茂铁,或酞菁铁(II);或乙酰丙酮铁;所述钴化合物为酞菁钴,或乙酰丙酮钴;所述铁化合物和钴化合物的质量比为1:(0.02 ~ 0.5);所述铁化合物中铁的质量与前驱体-3的质量比为(0.05 ~ 0.15):1;步骤(5)中所述铂化合物为乙酰丙酮铂,或酞菁铂;所述量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,其中铂化合物溶液与前驱体-4分散液的体积比为70:30;
一种根据所述的方法制备的掺杂多孔碳载铂催化剂。
根据所述方法制备的掺杂多孔碳载铂催化剂在氧还原反应电催化方面的应用。
本发明方法制备了一种掺杂多孔碳载铂催化剂:首先制备负载单原子铁的氮磷掺杂的碳纳米片;随后通过水热法制备三维多孔碳纳米片;接着制备本身对氧还原反应具有优异活性的铁钴负载的三维多孔碳纳米片;最后通过热还原法将少量铂沉积在铁钴负载的三维多孔碳纳米片上,得到掺杂多孔碳载铂催化剂。本发明以负载单原子铁的三维多孔氮磷碳纳米片为基体,通过分批热解法得到低铂载量的掺杂多孔碳载铂催化剂;通过控制热解方式,强化金属纳米颗粒之间以及和氮磷等之间的结合,并通过金属化合物自身的碳氮元素在热解时形成碳氮覆盖层,进一步强化了金属纳米颗粒的稳定性。本发明掺杂多孔碳载铂催化剂在燃料电池领域有广泛应用前景。
具体实施方式
实施例1:
(1)将10g双氰胺、1g蔗糖、0.3g三苯基膦、0.2g二茂铁与100mL无水乙醇混合,将该混合物在球磨机内充分研磨2小时;随后将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到前驱体-1。
(2)将上述前驱体-1转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至5500C,在此温度下保持4小时;随后再升至8000C,并在此温度下保持2小时;最后冷却至室温,得到前驱体-2。
(3)将前驱体-2与水混合,在超声作用下形成浓度为1g×L-1的均匀分散液,将该分散液转入水热反应釜内,并加入浓度为40 %的水合肼,保持分散液与水合肼的体积之比为100:2。随后将水热反应釜加热至150oC,在此温度下保持4小时;冷却至室温后,将固体用水洗涤后,得到的黑色颗粒在真空干燥器内于400C下干燥12小时,最后充分研磨,得到前驱体-3。
(4)将0.2g二茂铁和0.005g酞菁钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)将铂化合物与无水乙醇混合,在充分搅拌下将铂化合物溶解,形成浓度为2mmol×L-1的铂化合物溶液;此外,将前驱体-4与无水乙醇按1g:60mL的比例混合,超声处理,直到形成前驱体-4分散液;随后,量取70mL的铂化合物溶液加入到30mL前驱体-4分散液中,超声处理6小时,之后蒸去乙醇,所得固体于400C下干燥2 小时,得到前驱体-5。
所述铂化合物为乙酰丙酮铂,或酞菁铂;
(6)将前驱体-5转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至300~6000C,在此温度下保持2小时;之后再以100C×min-1的升温速率继续加热至8000C,并迅速冷却至室温,所得黑色粉末即为掺杂多孔碳载铂催化剂。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.60V(vs SCE);半波电位= 0.52V(vs SCE);极限扩散电流= 6.1mA×cm-2。
实施例2:
(1)将10g双氰胺、1g蔗糖、0.6 g三苯基膦、0.2g二茂铁与100mL无水乙醇混合,将该混合物在球磨机内充分研磨2小时;随后将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到前驱体-1。
(2)、(3)、(4)、(5)、(6)与实施例1的(2)、(3)、(4)、(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.61V(vs SCE);半波电位= 0.53V(vs SCE);极限扩散电流= 6.5mA×cm-2。
实施例3:
(1)将10g双氰胺、1g蔗糖、1 g三苯基膦、0.2g二茂铁与100mL无水乙醇混合,将该混合物在球磨机内充分研磨2小时;随后将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到前驱体-1。
(2)、(3)、(4)、(5)、(6)与实施例1的(2)、(3)、(4)、(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.60V(vs SCE);半波电位= 0.53V(vs SCE);极限扩散电流= 6.2mA×cm-2。
实施例4:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g二茂铁和0.03g酞菁钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.62V(vs SCE);半波电位= 0.53V(vs SCE);极限扩散电流= 6.8mA×cm-2。
实施例5:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g二茂铁和0.05g酞菁钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.61V(vs SCE);半波电位= 0.53V(vs SCE);极限扩散电流= 6.6mA×cm-2。
实施例6:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g二茂铁和0.05g乙酰丙酮钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.62V(vs SCE);半波电位= 0.51V(vs SCE);极限扩散电流= 6.9mA×cm-2。
实施例7:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g酞菁铁(II)和0.02g酞菁钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.59V(vs SCE);半波电位= 0.51V(vs SCE);极限扩散电流= 6.0mA×cm-2。
实施例8:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g酞菁铁(II)和0.005g乙酰丙酮钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.60V(vs SCE);半波电位= 0.51V(vs SCE);极限扩散电流= 6.3mA×cm-2。
实施例9:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g乙酰丙酮铁和0.05g酞菁钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:
起始电位= 0.60V(vs SCE);半波电位= 0.53V(vs SCE);极限扩散电流= 6.9mA×cm-2。
实施例10:
(1)、(2)、(3)实施例2的(1)、(2)、(3)步骤相同。
(4)将0.2g乙酰丙酮铁和0.02g乙酰丙酮钴混合,充分研磨均匀后,加入20mL无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将1g前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理1小时后,将乙醇蒸干,在400C下干燥1 小时,得到的固体混合物转入管式炉内,在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持4小时;最后冷却至室温,得到前驱体-4。
(5)、(6)与实施例2的(5)、(6)步骤相同。
(7)在常规三电极体系中,以铂片为对电极,饱和甘汞电极参比电极,涂覆掺杂多孔碳载铂催化剂的玻碳电极为工作电极,以氧气饱和0.1 mol×L-1的HClO4溶液为电解质,在电位扫速为5mV= V(vs SCE)以及转速为1600rpm的圆盘电极上,测定氧还原反应的基本参数为:起始电位= 0.61V(vs SCE);半波电位= 0.52V(vs SCE);极限扩散电流= 6.7mA×cm-2。
Claims (4)
1.一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁与无水乙醇混合,将该混合物充分研磨,随后将乙醇蒸干,在400C下干燥,得到前驱体-1;
所述双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁的质量比为(9-11):(0.5-1.5):(0.3 ~ 1):(0.1-0.3);所述无水乙醇的体积与双氰胺的质量之比为(90-110)mL:(9-11)g;
(2)将上述前驱体-1在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至5500C,在此温度下保持一定时间后再升至8000C,并在此温度下保持一定时间后冷却至室温,得到前驱体-2;
(3)将前驱体-2与水混合,在超声作用下形成浓度为1g×L-1的均匀分散液,然后在该分散液中加入浓度为40 %的水合肼,保持分散液与水合肼的体积之比为100:2;随后加热至150oC,在此温度下保持一定时间后冷却至室温,将固体用水洗涤后,得到的黑色颗粒于400C下真空干燥,最后充分研磨,得到前驱体-3;
(4)将铁化合物和钴化合物混合,充分研磨均匀后,按无水乙醇:铁化合物=100 mL:1 g的比例加入无水乙醇,将所得混合物超声处理,直到形成均匀分散液;随后,将前驱体-3加入到该均匀分散液中,继续超声处理后将乙醇蒸干,在400C下干燥,得到的固体混合物在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至8000C,在此温度下保持一定时间后冷却至室温,得到前驱体-4;
所述铁化合物为二茂铁,或酞菁铁(II);或乙酰丙酮铁;所述钴化合物为酞菁钴,或乙酰丙酮钴;所述铁化合物和钴化合物的质量比为(0.5-1.5):(0.02 ~ 0.5);所述铁化合物中铁的质量与前驱体-3的质量比为(0.05 ~ 0.15):(0.5-1.5);
(5)将铂化合物与无水乙醇混合,在充分搅拌下将铂化合物溶解,形成浓度为2 mmol×L-1的铂化合物溶液;此外,将前驱体-4与无水乙醇按1g:60mL的比例混合,超声处理,形成前驱体-4分散液;随后,量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,超声处理后蒸去乙醇,所得固体于400C下干燥,得到前驱体-5;
所述铂化合物为乙酰丙酮铂,或酞菁铂;所述量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,其中铂化合物溶液与前驱体-4分散液的体积比为(60-80):(20-40);
(6)将前驱体-5在氮气气氛下,以40C×min-1的升温速率加热至300~6000C,在此温度下保持一定时间后再以100C×min-1的升温速率继续加热至8000C,并迅速冷却至室温,所得黑色粉末即为掺杂多孔碳载铂催化剂。
2.根据权利要求1所述一种掺杂多孔碳载铂催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述双氰胺、蔗糖、三苯基膦、二茂铁的质量比为10:1:(0.3 ~ 1):0.2;所述无水乙醇的体积与双氰胺的质量之比为100mL:10g;步骤(4)中所述铁化合物为二茂铁,或酞菁铁(II);或乙酰丙酮铁;所述钴化合物为酞菁钴,或乙酰丙酮钴;所述铁化合物和钴化合物的质量比为1:(0.02 ~ 0.5);所述铁化合物中铁的质量与前驱体-3的质量比为(0.05 ~ 0.15):1;步骤(5)中所述铂化合物为乙酰丙酮铂,或酞菁铂;所述量取一定体积的铂化合物溶液加入到前驱体-4分散液中,其中铂化合物溶液与前驱体-4分散液的体积比为70:30。
3.一种根据权利要求1或2所述的方法制备的掺杂多孔碳载铂催化剂。
4.根据权利要求1或2所述方法制备的掺杂多孔碳载铂催化剂在氧还原反应电催化方面的应用。
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