KR20110024497A - 고활성 연료전지용 캐소드 Pt/C촉매의 제조방법 - Google Patents

고활성 연료전지용 캐소드 Pt/C촉매의 제조방법 Download PDF

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KR20110024497A
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Abstract

본 발명은 고활성 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법에 관한 것으로서, 용매 중에서 환원제 존재 하에 탄소지지체와 백금 금속 전구체를 혼합하고 환원반응시켜 백금 입자를 탄소지지체에 담지시켜 Pt/C 촉매를 제조함에 있어서, 상기 환원제로서 HCHO를 사용하여 40 내지 90℃에서 30 내지 90분 동안 환원반응을 수행하거나, 또는 상기 환원제로서 NaBH4를 사용하여 40 내지 60℃에서 12 내지 48시간 동안 환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명의 제법에 의하면, 백금 입자가 균일하게 높은 비표면적으로 탄소지지체에 담지되어 우수한 산소환원반응 활성을 나타낼 수 있는, 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매를 효율적으로 제조할 수 있다.

Description

고활성 연료전지용 캐소드 Pt/C촉매의 제조방법{METHOD FOR PREPARING CATHODE Pt/C CATALYSTS FOR FUEL CELLS HAVING AN IMPROVED ACTIVITY}
본 발명은 환원반응조건을 조절하여 우수한 산소환원반응 활성을 갖는, 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매(탄소지지체에 백금이 담지된 촉매)를 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 보통 전지(1차, 2차)와 같이 반응물 및 생성물이 전지의 내부에 있는 것이 아니라 기체 혹은 액체연료를 외부에서 공급하여 이들의 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 이러한 연료전지는 고효율이면서 친환경적이고 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연료전지의 종류에 따라서 체적을 조절하고 다양한 산업 분야에 맞게 제작할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 장점 때문에 이동용 휴대기기 등의 이동형 전원, 자동차의 수송용 전원, 가정용 및 발전소 사업용으로 이용가능한 분산형 전원에 이르기까지 다양한 산업에 응용이 가능하다.
연료전지는 전해질, 작동온도 및 연료의 종류에 따라 MCFC(용융탄산염 연료전지), SOFC(고체산화물형 연료전지), AFC(알칼리 연료전지), PAFC(인산형 연료전지), PEFC(고분자 전해질 연료전지) 및 DMFC(직접 메탄올 연료전지) 등으로 구분될 수 있다. 이들 여러 가지 연료전지 중, 산업 파급효과가 큰 이동형 및 수송용 전원으로서 고전류밀도 특성 및 저온에서 운전이 가능하다는 장점을 갖고 있는 PEFC가 가장 선호된다.
일반적으로, 연료전지의 성능은 애노드(anode)와 캐소드(cathode)의 촉매의 성능에 의해 크게 좌우되는데, 이러한 전극의 촉매재료로서 귀금속 촉매재료가 가장 많이 사용된다. 애노드 및 캐소드에서의 귀금속 촉매로서 비표면적이 크고 전기전도성이 우수한 탄소지지체에 백금 금속 입자를 담지시킨 Pt/C 촉매가 가장 대표적으로 사용되고 있다. 이때, 백금과 같은 귀금속은 매우 고가이기 때문에 백금 입자 담지시 백금의 사용량을 저감시키는 것은 물론 주변 요인을 최적화시켜 동일한 백금 양으로도 효과적인 담지를 달성함으로써 촉매 성능을 극대화시키는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 최적화된 환원반응조건을 통해 월등히 우수한 산소환원반응 활성을 나타낼 수 있는, 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매를 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
용매 중에서 환원제 존재 하에 탄소지지체와 백금 금속 전구체를 혼합하고 환원반응시켜 백금 입자를 탄소지지체에 담지시켜 Pt/C 촉매를 제조함에 있어서,
상기 환원제로서 HCHO를 사용하여 40 내지 90℃에서 30 내지 90분 동안 환원반응을 수행하거나, 또는 상기 환원제로서 NaBH4를 사용하여 40 내지 60℃에서 12 내지 48시간 동안 환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는,
연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제법에 의하면, 탄소지지체에 담지되는 백금 입자의 담지량 및 분산의 정도를 제어함으로써 백금 입자가 균일하게 높은 비표면적으로 탄소지지체에 담지되어 우수한 산소환원반응 활성을 나타낼 수 있는, 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매를 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제법은, 용매 중에서 환원제 존재 하에 탄소지지체와 백금 금속 전구체를 혼합하고 환원반응시켜 백금 입자를 탄소지지체에 담지시킴에 있어서, 상기 환원제로서 HCHO 또는 NaBH4를 사용하여 각 각의 경우에 40 내지 90℃에서 30 내지 90분 동안 또는 40 내지 60℃에서 12 내지 48시간 동안 환원반응을 수행하는 것을 기술구성상 특징으로 한다.
환원제로서 HCHO를 사용할 경우, 40 내지 90℃, 바람직하게는 약 80℃에서 30 내지 90분 동안, 바람직하게는 약 1시간 동안 환원반응을 수행할 수 있으며, 이때 HCHO를 백금 금속 전구체 중의 백금 1 중량부를 기준으로 150 내지 1000 중량부의 양으로 사용할 수 있다.
환원제로서 NaBH4를 사용할 경우, 40 내지 60℃, 바람직하게는 약 40℃에서 12 내지 48시간 동안, 바람직하게는 약 24시간 동안 환원반응을 수행할 수 있으며, 이때 NaBH4를 백금 금속 전구체 중의 백금 1 중량부를 기준으로 2 내지 100 중량부의 양으로 사용할 수 있다.
상기 탄소지지체와 백금 금속 전구체의 환원반응은, 탄소지지체를 용매(예: 물) 중에 바람직하게는 초음파를 이용하여 분산시킨 후, 여기에 백금 금속 전구체를 첨가하여 예를 들어 30분 동안 교반하고, 여기에 HCHO 또는 NaBH4 환원제를 첨가하여 상술한 해당 온도에서 해당 시간 동안 환원반응을 수행할 수 있다. 환원제 첨가에 앞서, 용액에 NaOH와 같은 염기 성분을 첨가하여 용액의 pH를 10-12(알칼리 분위기)로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 탄소지지체로는 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 이의 구체적인 예로는 탄소 나노분말(제품명: 불칸(Vulcan) XC 72®(캐보트(Cabot Co.)사제)), 탄소 나노튜브(nanotube), 탄소 나노막대(nanoforn) 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 바람 직하게는, 탄소지지체에 관능기를 부여하여 효과적으로 백금 촉매를 담지시키기 위해 탄소지지체를 전처리할 수 있다. 탄소지지체의 전처리는 탄소지지체를 질산용액 중에서 일정 시간 이상 교반시킨 후 세척 및 건조하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 탄소지지체를 60% 질산용액 중에서 70℃에서 5시간 동안 교반시킨 후, 증류수를 사용하여 세척하고 80℃ 오븐에서 건조하여 탄소지지체의 전처리를 수행할 수 있다. 이때 질산용액의 농도, 처리 온도, 교반 시간 등은 임의로 선택할 수 있다.
상기 백금 금속 전구체로는 통상적인 것을 사용할 수 있으며, 이의 구체적인 예로는 K2PtCl4, K2PtCl6, H2PtCl4, H2PtCl6, Pt(NH3)4Cl2 및 이들의 혼합물을 들 수 있다.
환원반응 완료 후 생성물을 증류수로 세척하고 예를 들어 80℃에서 건조하여 원하는 양 (예를 들어, 촉매 총중량 기준 15 내지 60 중량%)의 백금 입자가 탄소지지체에 담지된 목적하는 Pt/C 촉매를 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 방법에 의해 제조된 Pt/C 촉매는 상온에서 제조된 기존 Pt/C 촉매에 비해 백금 입자가 균일하게 높은 비표면적으로 탄소지지체에 담지되어 월등히 우수한 산소환원반응 활성을 나타내므로 연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지의 캐소드 촉매로서 유용하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한 정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
<캐소드 Pt/C 촉매의 제조>
실시예 1
탄소지지체로서의 불칸(Vulcan) XC 72®(캐보트(Cabot Co.)사제)를 60% 질산용액에 첨가하고 70℃에서 5시간 동안 교반한 후, 증류수를 사용하여 세척하고 80℃ 오븐에서 건조하여 탄소지지체의 전처리를 수행하였다.
전처리된 불칸 XC 72®를 초음파를 이용하여 수중에 분산시킨 후, 여기에 백금 금속 전구체로서의 H2PtCl6를 첨가하고 30분간 교반하고, NaOH를 첨가하여 용액의 pH를 10-12의 알칼리 분위기로 조절하였다. 이어, 여기에 환원제로서의 HCHO(준세 화학(Junsei Chem. Co.)사제, 37%)를 50ml 첨가하고 80℃에서 1시간 동안 환원반응을 수행하였다. 환원반응 완료 후, 생성물을 증류수로 세척하고 80℃에서 건조하여 촉매 총중량 기준 20 중량%의 백금 입자가 탄소지지체에 담지된 Pt/C 촉매를 얻었다.
실시예 2 내지 4
환원반응을 80℃ 대신에 40, 60 및 90℃ 각각에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
실시예 5 및 6
환원반응을 1시간 동안 수행하는 것 대신에 30분 및 90분 동안 각각 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
실시예 7
환원제로서 NaBH4를 1g 첨가하고 40℃에서 24시간 동안 환원반응을 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
실시예 8
환원반응을 40℃ 대신에 60℃에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
실시예 9 내지 11
환원반응을 24시간 동안 수행하는 것 대신에 12시간, 36시간 및 48시간 동안 각각 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
비교예 1
환원반응을 80℃ 대신에 상온에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
비교예 2
환원반응을 40℃ 대신에 상온에서 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일한 방법을 수행하여 Pt/C 촉매를 제조하였다.
<캐소드 Pt/C 촉매의 물성 및 활성 측정>
상기 실시예 1 내지 11, 및 비교예 1 및 2에서 제조한 Pt/C 촉매의 활성을 평가하고자 전기화학측정을 실시하였다. 구체적으로, 듀폰(DuFont)사의 나피온 용액(Nafion Solution, Type: SE-5012)과 증류수를 1:9의 중량비로 혼합하여 혼합용액을 만들었다. 이어, 혼합용액 5ml에, 상기 실시예 및 비교예 각각에서 제조한 촉매 0.025g을 첨가한 후 30분 동안 분산시켰다. 그리고, 마이크로피펫을 이용하여 25mg의 촉매를 글래시 카본(glassy carbon)에 코팅한 후, 80℃에서 2시간 동안 열처리하여 작업 전극(working electrode)을 제작하였다. 이와 같이 제조한 작업 전극 및 참조 전극(reference electrode)으로서 Ag/AgCl 전극(실험 후, SHE(standard hydrogen electrode)로 환산), 그리고 대응 전극(counter electrode)으로서 백금선을 이용한 전기화학측정장치(WonATtek Co., HPCS1)를 사용하여 1M의 황산수용액에서 전기화학측정을 실시하였다.
캐소드 반응인 산소환원반응 활성을 조사하기 위하여, 질소 및 산소분위기에 서 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)에 의한 전기화학측정을 수행하여 질소 및 산소분위기에서 측정된 전류값의 차이로부터 0.75V(SHE 기준)에서의 전류값(i ORR ) 및 -0.025mA에서의 전위값(E ORR )을 측정하였다. 그리고, 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 5분 동안 정전위 측정을 실시하여 전류값(i ORR )을 측정하였다.
나아가, 상기 실시예 1 및 비교예 1 각각에서 제조한 촉매에 대해 투과전자현미경(TEM: transmission electron microscope, JEOL) 분석을 수행하여 촉매 중 백금 입자의 담지 정도와 분산도를 관찰하였다.
시험예 1
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 전기화학측정을 수행한 결과, 질소 및 산소분위기에서 측정된 전류값의 차이로부터 얻은 전류값(i ORR ) 및 전위값(E ORR )을 도 1a에 나타내었다. 도 1a에서, 알칼리 분위기에서 HCHO 50ml를 상온에서 1시간 동안 환원반응시킨 비교예 1의 경우 전위값과 전류값이 각각 0.67V와 -0.005mA를 나타내었다. HCHO 50ml를 1시간 동안 40∼90℃에서 환원시킨 실시예 1 내지 4의 결과에서 온도가 증가할수록 촉매 활성이 증가하다가 80℃를 기점으로 90℃부터는 촉매 활성이 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 촉매 활성이 환원온도에 대해 의존성을 가짐을 알 수 있으며, 특히 80℃에서 실시한 실시예 1의 경우 전위값과 전류값이 각각 0.77V와 -0.0404mA를 나타내는 등 실 온에서 환원반응시킨 비교예 1에 비하여 전류값이 8배 높은 촉매 활성을 나타내었다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 측정된 전류값(i ORR )을 도 2a에 나타내었다. 0.75V 전위에서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 경우 각각 -0.0404, -0.00875, -0.0107, -0.023 및 0.005mA의 전류값을 나타내는 등, 실시예 1이 실시예 2 내지 4 및 비교예 1에 비하여 각각 4.6배, 3.7배, 1.7배 및 8배 높은 활성을 나타냄을 알 수 있다.
또한, 비교예 1 및 실시예 1에서 제조한 촉매를 투과전자현미경(TEM)을 통해 관찰하여 그 TEM 사진을 도 3a 및 3b에 각각 나타내었다. 도 3a 및 3b의 TEM 사진으로부터, 비교예 1의 촉매(도 3a)에 비해 실시예 1의 촉매(도 3b)의 백금 입자 담지량과 분산정도가 월등히 높음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 환원 온도가 증가함에 따라 백금 입자의 탄소지지체에의 담지와 분산이 잘 이루어짐을 알 수 있다.
시험예 2
HCHO 50ml를 30분, 60분 및 90분 동안 80℃에서 각각 환원시킨 실시예 5, 실시예 1 및 실시예 6의 결과에서 환원시간이 30분에서 60분으로 증가할수록 촉매활성이 증가하다가 60분을 기점으로 90분부터는 촉매 활성이 감소하는 것을 알 수 있 다. 이러한 결과로부터 촉매 활성이 환원시간에 대해 의존성을 가짐을 알 수 있으며, 특히 60분 동안 환원시킨 실시예 1의 경우 전위값과 전류값이 각각 0.77V와 -0.0404mA를 나타내는 등 실온에서 환원반응시킨 비교예 1에 비하여 훨씬 높은 촉매 활성을 나타내었다.
실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 측정된 전류값(i ORR )을 도 2b에 나타내었다. 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6의 0.75V에서의 활성을 비교한 결과 각각 -0.0404, -0.02368 및 -0.02832mA를 나타내는 등, 실시예 1이 실시예 5 및 6에 비하여 각각 1.7배 및 1.4배 높은 활성을 나타냄을 알 수 있다.
시험예 3
실시예 7 내지 11 및 비교예 2에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 전기화학측정을 수행한 결과, 질소 및 산소분위기에서 측정된 전류값의 차이로부터 얻은 전류값(i ORR ) 및 전위값(E ORR )을 도 1b에 나타내었다. NaBH4 1g을 24시간 동안 실온, 40℃ 및 60℃에서 각각 환원시킨 비교예 2, 실시예 7 및 8의 결과에서 실온보다 40℃에서 환원시킬 때 촉매 활성이 더욱 높았으며 온도를 더 높인 60℃에서의 반응은 40℃보다도 활성이 감소한 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 촉매 활성이 환원온도에 대한 의존성을 가짐을 알 수 있으며, 특히 40℃에서 실시한 실시예 7의 경우 전위값과 전류값이 각각 0.79V와 -0.055mA를 나타내는 등 실온에서 환원반응시킨 비교예 2에 비하여 전류값이 2.5배 높은 촉매 활성을 나타내었다.
실시예 7 및 8, 및 비교예 2에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 측정된 전류값(i ORR )을 도 2c에 나타내었다. 실시예 7, 실시예 8 및 비교예 2의 0.75V에서의 활성을 비교한 결과, 각각 -0.055, -0.03979 및 -0.0217mA를 나타내는 등 실시예 7이 실시예 8 및 비교예 1에 비하여 각각 1.4배 및 2.5배 높은 활성을 나타냄을 알 수 있다.
시험예 4
NaBH4 1g을 24, 12, 36 및 48시간 동안 40℃에서 각각 환원시킨 실시예 7, 및 실시예 9 내지 11의 결과에서 12시간에서 24시간으로 환원시간을 늘렸을 때 촉매 활성이 가장 좋은 것으로 나타났으며, 이후 촉매 활성이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 촉매 활성이 환원온도 뿐 아니라 환원시간에 대해 의존성을 가짐을 알 수 있으며, 특히 24시간 동안 환원시킨 실시예 7의 경우 전위값과 전류값이 각각 0.79V와 -0.055mA를 나타내는 등 측정한 시간대 중 가장 높은 촉매 활성을 나타내었다.
실시예 7, 및 실시예 9 내지 11에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 측정된 전류값(i ORR )을 도 2d에 나타내었다. 실시예 7, 실시예 9, 실시예 10 및 실시예 11의 0.75V에서의 활성을 비교한 결과 각각 -0.055, -0.019, -0.0319 및 0.0355mA를 나타내는 등 실시예 7이 실 시예 9 내지 11에 비하여 각각 2.9배, 1.7배 및 1.5배 높은 활성을 나타냄을 알 수 있다.
도 1a는 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 측정된 전류값(i ORR ) 및 전위값(E ORR )을 나타낸 것이고, 도 1b는 실시예 7 내지 11 및 비교예 2에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 측정된 전류값(i ORR ) 및 전위값(E ORR )을 나타낸 것이고,
도 2a 내지 2d는 산소분위기에서 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6V 각각의 전위에서 실시예 1 내지 11, 및 비교예 1 및 2에서 제조한 Pt/C 촉매에 대해서 측정된 전류값(i ORR )(정전위값)을 나타낸 것이고,
도 3a 및 3b는 각각 비교예 1 및 실시예 1에서 제조한 Pt/C 촉매의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.

Claims (9)

  1. 용매 중에서 환원제 존재 하에 탄소지지체와 백금 금속 전구체를 혼합하고 환원반응시켜 백금 입자를 탄소지지체에 담지시켜 Pt/C 촉매를 제조함에 있어서,
    상기 환원제로서 HCHO를 사용하여 40 내지 90℃에서 30 내지 90분 동안 환원반응을 수행하거나, 또는 상기 환원제로서 NaBH4를 사용하여 40 내지 60℃에서 12 내지 48시간 동안 환원반응을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소지지체가 탄소 나노분말, 탄소 나노튜브(nanotube), 탄소 나노막대(nanoforn) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소지지체가 질산용액 중에서 교반되어 전처리된 것임을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 백금 금속 전구체가 K2PtCl4, K2PtCl6, H2PtCl4, H2PtCl6, Pt(NH3)4Cl2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 HCHO가 상기 백금 금속 전구체 중의 백금 1 중량부를 기준으로 150 내지 1000 중량부의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 NaBH4가 상기 백금 금속 전구체 중의 백금 1 중량부를 기준으로 2 내지 100 중량부의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원반응시 염기 성분을 첨가하여 용액의 pH를 10-12로 조절하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연료전지가 고분자 전해질 연료전지인 것을 특징으로 하는, 연료전지용 캐소드 Pt/C 촉매.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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