CN115805090A - 一种光催化甲烷转化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非金属掺杂石墨相氮化碳g‑C3N4的制备方法及其应用,具体地说,将含有非金属的化合物与石墨相氮化碳前驱体混合均匀后再经过高温焙烧即可得到非金属掺杂石墨相氮化碳g‑C3N4材料。该方法所制备的非金属掺杂的g‑C3N4可以用于光催化甲烷转化制甲醇反应,相较于未掺杂的样品,非金属掺杂的g‑C3N4样品其光催化甲烷转化制甲醇的活性提升了2~3倍。所述样品制备方法简单、操作周期短、成本低、适用于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域,具体涉及一种非金属掺杂的石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化材料制备及其应用。
背景技术
甲烷(CH4)是一种重要的能源小分子,广泛存在于天然气,页岩气,可燃冰等矿产资源中,是继煤、石油之后的又一重要能源。然而甲烷的活化和高选择性转化都面临巨大的困难。一方面,CH4的碳原子中心与四个氢原子形成正四面体对称结构,C-H键的平均解离能为ΔHC-H=440kJ·mol-1,其化学性质非常稳定;另一方面,CH4部分氧化后的产物如甲醇(CH3OH)、甲醛(HCHO)等反应活性极高,易被深度氧化成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2),因此,甲烷的选择活化和定向转化被誉为是催化乃至化学领域“圣杯”式的研究课题。
目前,工业上对甲烷的利用主要是指甲烷与氧气、水蒸气等首先发生重整反应生成含一定比例氢气和一氧化碳的合成气(CO+H2),再经费托合成过程转化为高碳的烃类分子(油品和基础化学品等);或将合成气先制成甲醇,再经过SAPO-34、ZSM-5等分子筛催化转化生成烯烃等。该技术已实现工业化的应用,但是甲烷重整过程受热力学的限制,造气反应需在高温苛刻的条件下进行(>1000℃),能耗高,工艺设备复杂,生产过程中排放大量温室气体二氧化碳,不仅带来环境负荷,也使总碳的利用率不到一半。因此,探究温和条件(低温或室温)下甲烷直接转化制高附加值化学品(如甲醇等碳一含氧化物)具有重要的研究意义。
光催化甲烷转化可以打破传统热力学平衡的限制,使甲烷的转化可在低温常压下进行,这源于光催化体系中所产生的具有几个eV能量的光子可有效地活化甲烷的C-H键,降低反应能垒。因此,设计和开发高效的光催化剂对于利用太阳能实现甲烷的低温高效转化至关重要。目前,围绕光催化甲烷转化的催化剂开发也取得了一系列进展,但多集中于贵金属体系,如Pd,Pt基催化材料,但贵金属储量有限,并不能满足工业上大规模使用的需求。因此,探索新型的非贵金属材料用于甲烷的光催化转化具有重要的意义。
发明内容
基于以上背景技术,本发明开发了一种非金属掺杂的石墨相氮化碳g-C3N4材料,命名为NM(X)-g-C3N4(NM代表非金属种类,X代表材料合成时非金属化合物的加入量),其可在温和条件下实现光催化甲烷转化制含氧化合物(如CH3OH,HCOOH等)。该材料是通过石墨相氮化碳前驱体与非金属元素混合均匀,经过高温焙烧制备。该方法易于操作,且适用范围广泛,可用于各种元素的掺杂。该材料在能源存储与转化等领域具有广阔的应用前景。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种非金属掺杂的石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
1)将石墨相氮化碳前驱体与非金属化合物溶于分散溶液中,待混合均匀后加热搅拌蒸发直至成干燥混合物;
2)将上述步骤1中所得到的混合物进行高温焙烧,得到所述非金属掺杂的光催化剂(NM(X)-g-C3N4)。
根据本发明,在步骤1)中,优选地,所述石墨相氮化碳前驱体与非金属化合物的质量比为1000∶1~40∶1;所述的石墨相氮化碳前驱体选自三聚氰胺、二聚氰胺、氰胺、尿素等含碳氮的有机物中的至少一种。
根据本发明,在步骤1)中,优选地,所述的非金属化合物包括含有非金属元素的酸类(硼酸,磷酸等)中的至少一种以及其它的含非金属的化合物(磷酸二氢铵,氟化铵,氯化铵,溴化铵,碘化铵等)中的至少一种。
根据本发明,优选地,所述分散溶剂选自去离子水或有机溶剂中的至少一种。
根据本发明,所述有机溶剂没有特别的限制,适用于本发明所述的反应体系即可。作为示例包括乙醇,甲醇,乙腈,N,N-二甲基甲酰胺、乙二胺、甲酸、乙酸等溶液中的至少一种。
根据本发明,在步骤1)中,优选地,加热温度为20~100摄氏度。
根据本发明,在步骤1)中,优选地,搅拌速度为每分钟200~1000转。
根据本发明,在步骤2)中,优选地,将混合物置于空气或惰性气体(例如高纯氮气、高纯氩气)中焙烧,即制备得到所述非金属掺杂的石墨相氮化碳。
优选地,所述混合物置于空气气氛中进行焙烧。
优选地,所述混合物焙烧温度为300~600摄氏度,焙烧时间为2~5小时。
还优选地,所述混合物的焙烧温度为400~500摄氏度,焙烧时间为3.5~4.5小时(例如4小时)。
本发明提供了一种非金属掺杂的石墨相氮化碳g-C3N4的光催化剂,所述光催化剂是采用上述方法制备得到的。
本发明所述光催化剂可用于光催化甲烷氧化制备甲醇,最优材料的甲醇产量为154μmol·g-1,显著提高了未掺杂石墨相氮化碳g-C3N4的光催化甲烷活性。
本发明提供了非金属掺杂的石墨相氮化碳g-C3N4的光催化剂的应用,其可用于光催化甲烷转化、光催化水分解制氢、光催化二氧化碳还原、燃料降解、污染物降解等领域。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、所制备的非金属掺杂的石墨相氮化碳材料可实现多种非金属元素的掺杂,操作方法简单且适用范围广。
2、非金属掺杂的比例可以调变,含量易于调控,并且该催化剂可适用于不同的反应体系。
3、所制备的光催化剂在紫外-可见光下可实现甲烷氧化制备甲醇、甲酸、等含氧化合物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1样品B(0.01)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图2为实施例2样品B(0.1)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图3为实施例3样品B(0.25)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图4为实施例4样品P(0.25)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图5为实施例5样品B(0.25)P(0.25)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图6为实施例6样品S(0.25)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图7为实施例7样品Cl(0.5)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图8为实施例8样品Br(0.5)-g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图9为实施例9样品B(0.25)-g-C3N4-Melamine的X射线衍射谱(XRD)。
图10为实施例10样品B(0.25)-g-C3N4-400℃-4h的X射线衍射谱(XRD)。
图11为实施例11样品B(0.25)-g-C3N4-450℃-3h的X射线衍射谱(XRD)。
图12为对比例1样品g-C3N4的X射线衍射谱(XRD)。
图13为实施例1至5和对比例1样品的光催化甲烷部分氧化制甲醇和甲酸的性能图。
图14为实施例6至8样品的光催化甲烷部分氧化制甲醇的性能图。
图15为实施例9至11样品的光催化甲烷部分氧化制甲醇和甲酸的性能图。
具体实施方式
下面通过实施例对整个材料制备过程做一详细的说明,但是本发明的权利要求范围不受这些实施例的限制。同时,实施例只是给出了实现此目的的部分条件,但并不意味着必须满足这些条件才可以达到此目的。
实施例1
1.取10克尿素和0.01克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.01)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图1为实施例1制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图1可知,所述的光催化剂有g-C3N4的特征衍射峰,峰位置分别在13.5度和27.1度,分别对应于石墨相氮化碳的(100)和(002)晶面的特征衍射,说明了硼元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例2
1.取10克尿素和0.1克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.1)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图2为实施例2制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图2可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.1度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了硼元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例3
1.取10克尿素和0.25克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.25)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图3为实施例3制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图3可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在26.3度,相比于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射稍微有一些偏移,说明了硼元素的加入量超过一定程度会对石墨相氮化碳g-C3N4有一定影响。
实施例4
1.取10克尿素和0.25克磷酸氢二铵放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和磷酸氢二铵的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂P(0.25)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图4为实施例4制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图4可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.2度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了磷元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例5
1.取10克尿素、0.25克磷酸氢二铵、0.25克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和磷酸氢二铵的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.25)P(0.25)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图5为实施例5制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图5可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.0度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了硼和磷元素的共同加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例6
1.取10克尿素和0.25克硫粉放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硫的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂S(0.25)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图6为实施例6制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图6可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.3度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了硫元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例7
1.取10克尿素和0.5克氯化铵放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和氯化铵的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂C1(0.5)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图7为实施例7制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图7可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.2度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了氯元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例8
1.取10克尿素和0.5克溴化铵放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和氯化铵的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂Br(0.5)-g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图8为实施例8制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图8可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.4度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了溴元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例9
1.取10克三聚氰胺和0.25克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到三聚氰胺和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为550摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.25)-g-C3N4-Melamine。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图9为实施例9制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.5度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了硼元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例10
1.取10克尿素和0.25克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为400摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.25)-g-C3N4-400℃-4h。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图10为实施例10制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图10可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在27.0度,对应于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射,说明了硼元素的加入并没有影响石墨相氮化碳的成功合成。
实施例11
1.取10克尿素和0.25克硼酸放于100毫升烧杯中,并加入20毫升去离子水,充分震荡混合均匀。
2.将(1)中的烧杯置于60摄氏度水浴锅中加热并搅拌,搅拌速度为每分钟1000转,直至溶液蒸发完全,得到尿素和硼酸的混合物。
3.将(2)所得的混合物放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为3小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到光催化剂B(0.25)-g-C3N4-450℃-3h。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图11为实施例11制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图11可知,所述的光催化剂只有一个特征衍射峰,峰位置在26.0度,相比于石墨相堆积(002)晶面的特征衍射稍微有一些偏移,说明了硼元素的加入量超过一定程度会对石墨相氮化碳g-C3N4有一定影响。
对比例1
取10克尿素放入马弗炉中焙烧,焙烧温度为450摄氏度,时间为4小时,程序升温速率是每分钟5摄氏度,注意瓷舟用锡箔纸包住,得到g-C3N4。
将合成后的样品进行X射线衍射谱(XRD)测试。图12为实施例12制备得到的光催化剂的X-射线粉末衍射图。由图12可知,所述的光催化剂有g-C3N4的特征衍射峰,峰位置分别在13.5度和27.3度,分别对应于石墨相氮化碳的(100)和(002)晶面的特征衍射,说明了石墨相氮化碳的成功合成。
应用例1
光催化甲烷转化活性评价
向反应釜中加入10毫升去离子水,分别加入10毫克上述实施例1至5和对比例1中制备得到的光催化剂,反应釜密封好后,充入1~4兆帕CH4和N2混合气,使用300W氙灯照射10小时,反应温度为65摄氏度,该温度是光致热产生的。活性评价所采用的反应装置是50毫升高压光催化反应釜及配套热电偶搅拌器,结果参见图13。
结果表明:本发明所述实施例中B(0.01)-g-C3N4、B(0.1)-g-C3N4、B(0.25)-g-C3N4、P(0.25)-g-C3N4、B(0.25)P(0.25)-g-C3N4光催化剂和g-C3N4甲醇产量分别为40μmol·g-1、67μmol·g-1、108μmol·g-1、92μmol·g-1、86.4μmol·g-1、40μmol·g-1;甲酸产量分别为10μmol·g-1、28μmol·g-1、12μmol·g-1、0μmol·g-1、7.2μmol·g-1、0μmol·g-1。
应用例2
光催化甲烷转化活性评价
向反应釜中加入10毫升去离子水,分别加入10毫克上述实施例6至8制备得到的光催化剂,反应釜密封好后,充入1~4兆帕CH4和N2混合气,使用300W氙灯照射10小时,反应温度为65摄氏度,该温度是光致热产生的。活性评价所采用的反应装置是50毫升高压光催化反应釜及配套热电偶搅拌器,结果参见图14。
结果表明:本发明所述实施例中S(0.25)-g-C3N4、Cl(0.5)-g-C3N4、Br(0.5)-g-C3N4光催化剂所制备的甲醇产量分别为40μmol·g-1、45.6μmol·g-1、56μmol·g-1。
应用例3
光催化甲烷转化活性评价
向反应釜中加入10毫升去离子水,分别加入10毫克上述实施例10至12制备得到的光催化剂,反应釜密封好后,充入1~4兆帕CH4和N2混合气,使用300W氙灯照射10小时,反应温度为65摄氏度,该温度是光致热产生的。活性评价所采用的反应装置是50毫升高压光催化反应釜及配套热电偶搅拌器,结果参见图15。
结果表明:本发明所述实施例中B(0.25)-g-C3N4-Melamine、B(0.25)-g-C3N4-400℃-4h、B(0.25)-g-C3N4-450℃-3h光催化剂所制备的甲醇产量分别为42.7μmol·g-1、85μmol·g-1、42μmol·g-1;甲酸产量分别为0μmol·g-1、17.5μmol·g-1、8.7μmol·g-1。
根据上述结果表明本发明实施例中制备的非金属掺杂的g-C3N4光催化剂活性高于未掺杂的g-C3N4光催化活性。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非金属掺杂的石墨相氮化碳g-C3N4光催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
(1)将石墨相氮化碳前驱体与非金属化合物溶于分散溶剂中,待混合均匀后加热搅拌蒸发,直至成干燥的混合物;
(2)将步骤(1)中所得到的混合物进行高温焙烧,得到光催化剂NM(X)-g-C3N4,其中,NM代表非金属种类,X代表材料合成时非金属化合物的加入量。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述石墨相氮化碳前驱体与非金属化合物的质量比为1000∶1~40∶1;所述的石墨相氮化碳前驱体选自三聚氰胺、二聚氰胺、氰胺或尿素中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述的非金属化合物包括含有非金属元素的酸类或其它的含非金属的化合物,所述酸类为硼酸或磷酸中的至少一种,所述其它的含非金属的化合物包含磷酸二氢铵、氟化铵、氯化铵、溴化铵或碘化铵中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述分散溶剂选自去离子水或有机溶剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,加热温度为20~100摄氏度,搅拌速度为每分钟200~1000转。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,将混合物置于空气或惰性气体中焙烧,所述惰性气体为氮气或氩气。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合物焙烧温度为300~600摄氏度,焙烧时间为2~5小时。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述混合物的焙烧温度为400~500摄氏度,焙烧时间为3.5~4.5小时。
9.一种非金属掺杂的石墨相氮化碳g-C3N4光催化剂,其特征在于,所述光催化剂采用权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。
10.一种权利要求9所述光催化剂在光催化甲烷转化、光催化水分解制氢、光催化二氧化碳还原、燃料降解或污染物降解中的应用。
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