TWI406711B - 奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法 - Google Patents

奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法 Download PDF

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Description

奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法
本發明涉及一種複合物的製備方法,尤其涉及一種奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法。
近年來,奈米碳管與金屬粒子的複合物成為人們研究的熱點。由於奈米碳管具有大的比表面積及高的電導率使奈米碳管成為金屬粒子催化劑的理想載體材料。將金屬粒子擔載在奈米碳管上形成的複合物可應用於電化學電池、燃料電池及生物醫學領域,具有良好的催化活性。
在將奈米碳管金屬粒子複合物作為催化劑使用時,金屬粒子在奈米碳管表面的擔載量及均勻程度直接影響該催化劑的催化性能。通常情況下,隨著奈米碳管表面擔載的金屬粒子的含量增多,其催化性能變好,但隨著金屬粒子的含量的增多,金屬粒子易於在奈米碳管表面團聚而使金屬粒子的分散性降低,從而影響金屬粒子的催化性能。
先前技術中,奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法主要分為物理法和化學法兩類,物理法中多採用濺射的方式將金屬粒子負載於奈米碳管表面。化學法包括膠體法、溶液還原法、浸漬法、電化學沈積法及超臨界流體法等方法,其中,溶液還原法較為常用,該方法在奈米碳管的懸浮液中加入含金屬離子的前驅體溶液,藉由加入還原劑使金屬離子還原成單質金屬粒子擔載於奈米碳管表面。但先前技術中利用溶液還原法製備的奈米碳管金屬粒子複合物中,金屬粒子的含量及分散性難以平衡,從而影響該奈米碳管金屬粒子複合物的催化性能。
有鑒於此,提供一種可提高金屬粒子含量且分散性較好的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法實為必要。
一種奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,包括以下步驟:提供載體,該載體包括奈米碳管及包覆在奈米碳管表面的聚合物;將該載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合形成一混合液並進行反應,得到一絡合產物;在上述混合液中加入還原劑,將絡合產物中的金屬離子還原成單質金屬粒子,該單質金屬粒子吸附於該載體表面;及分離提純該表面吸附單質金屬粒子的載體。
相較於先前技術,本發明以表面包覆聚合物的奈米碳管為載體,在所述羧基酸的輔助下製備奈米碳管金屬粒子複合物。在製備過程中,該羧基酸在該載體及金屬粒子之間起到聯橋的作用,該羧基酸的羧基基團一方面與該聚合物藉由化學鍵結合或靜電作用力相互吸引,另一方面該羧基酸藉由與該含金屬離子的溶液之間的絡合作用促進加入所述還原劑後金屬粒子在該載體表面均勻分佈,且該羧基酸的羧基基團對該金屬粒子具有較強的吸附能力,從而提高了該金屬粒子在該載體表面的擔載量,且可抑制該金屬粒子之間的團聚,使該金屬粒子在該載體表面可均勻穩定地分佈,從而可提高該奈米碳管金屬粒子複合物的催化性能。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法。
本發明實施例提供一種奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,包括以下步驟:
步驟一,提供載體,該載體包括奈米碳管及包覆在奈米碳管表面的聚合物。
步驟一利用表面包覆聚合物的奈米碳管作為金屬粒子的載體,與金屬粒子複合,形成奈米碳管金屬粒子複合物。該聚合物優選為親水性聚合物,更為優選地,該聚合物為具有胺基的親水性聚合物。由於奈米碳管本身分散性較差,表面包覆親水性聚合物後可增強該奈米碳管在水中的分散性,利於提高所述金屬粒子在該載體表面的含量及分散性。該表面包覆聚合物的奈米碳管可藉由原位合成法、化學表面修飾或化學接枝等方法來製備。本發明實施例採用將聚合物原位合成於該奈米碳管表面的方法來製備表面包覆親水性聚合物的奈米碳管,作為所述載體。該方法具體包括如下步驟:
S11,提供奈米碳管、聚合物單體及引發該聚合物單體聚合的引發劑;
S12,在水中混合該奈米碳管和聚合物單體形成一混合物;
S13,將所述引發劑加入該混合物中,使所述聚合物單體之間發生聚合反應,生成的聚合物包覆在該奈米碳管表面,及
S14,分離提純該表面包覆聚合物的奈米碳管。
在該步驟S11中,奈米碳管可為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或幾種。該奈米碳管可藉由電弧放電法、化學氣相沈積法或鐳射蒸發法等方法製備,本發明實施例採用化學氣相沈積法製備了多壁奈米碳管。該多壁奈米碳管的內徑為10奈米~50奈米,外徑為30奈米~80奈米,長度為50微米~100微米。
該聚合物單體可為苯胺、吡咯、噻吩、醯胺、丙烯亞胺或上述物質的衍生物,如乙醯苯胺、甲基吡咯、乙烯二氧噻吩、醯胺二銨或己內醯胺等。另,所述聚合物單體可不限於上述列舉的物質,該聚合物單體只需滿足藉由發生聚合反應可完整的包覆在所述奈米碳管表面即可。該引發劑可使該聚合物單體之間發生聚合反應生成聚合物。該引發劑優選為水溶性聚合物單體引發劑,如過硫酸銨、過硫酸鉀、硫酸、硝酸及碘酸鉀中的一種或複數種。本發明實施例中採用苯胺作為所述聚合物單體,過硫酸銨作為所述引發劑。
所述奈米碳管與聚合物單體的質量比可為1:1~1:10。該引發劑與該聚合物單體的摩爾比大於1:1,從而使該引發劑相對於該聚合物單體過量,從而保證該聚合物單體可聚合完全。本發明實施例中所述多壁奈米碳管和所述苯胺的質量比為1:2,該過硫酸銨與該苯胺的摩爾比為2:1。
在上述步驟S12中,可將該奈米碳管與該聚合物單體同時加入或依次加入含有水的反應器中。本發明實施例中先將該奈米碳管加入該含有水的反應器中經過超聲振盪後,然後再加入所述聚合物單體,並繼續超聲振盪該混合物。
在上述步驟S12中,可進一步包括藉由羧基酸處理所述奈米碳管的步驟。
該羧基酸優選為至少具有兩個羧基的羧基酸,該羧基酸可為檸檬酸(C6 H8 O7 )、乙二酸(H2 C2 O4 )、丙二酸(C3 H4 O4 )、丁二酸(C4 H6 O4 )、己二酸(C6 H10 O4 )、苯二甲酸(C8 H8 O4 )及戊二酸(C5 H8 O4 )等中的一種或複數種。該羧基酸與所述聚合物單體的摩爾比可為1:1~10:1。該羧基酸中的一個羧基可對該奈米碳管進行表面功能化修飾,從而可增強該奈米碳管在水中的分散性。該羧基酸中多餘的羧基藉由靜電吸引力吸附所述聚合物單體,從而可使後續聚合反應生成的聚合物更好地包覆在該奈米碳管表面。本發明實施例在加入奈米碳管後,向反應器中加入檸檬酸水溶液並超聲分散1~4小時後,再將該聚合物單體加入該反應器中混合。
在上述步驟S13中,可進一步包括攪拌該混合物的步驟,使所述反應完全。本發明實施例在所述引發劑加入到該混合物的過程中開始攪拌並持續到所述聚合反應結束。所述聚合反應的溫度及時間與聚合物單體及引發劑的種類有關,所述聚合反應的溫度可為0℃~60℃,所述反應時間優選為10小時~20小時。本發明實施例在冰浴下(0℃~5℃)進行所述聚合反應,所述反應時間持續12小時。
在上述步驟S14中,本發明實施例藉由過濾及複數次水洗滌獲得所述表面包覆聚合物的奈米碳管。該表面包覆聚合物的奈米碳管後續用來作為金屬粒子的載體,使該金屬粒子吸附於所述聚合物表面。
步驟二,將該載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合形成一混合液並進行反應,得到一絡合產物;
在上述步驟二中,所述含金屬離子的溶液中的金屬離子可為貴金屬離子或作為金屬單質時具有較好催化性能的其他金屬的離子。該貴金屬離子可為金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)及銥(Ir)等的離子中的一種或複數種。該作為金屬單質時具有較好催化性能的其他金屬的離子可為銅(Cu)、鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)的離子中的一種或複數種。相應地,該含金屬離子的溶液可為含該金屬離子的酸或鹽,如氯金酸(HAuCl4 )、氯化金(AuCl3 )、硝酸銀(AgNO3 )、氯鉑酸(H2 PtCl6 )、氯化釕(RuCl3 )、氯銠酸(H3 RhCl6 )、氯化鈀(PdCl2 )、氯鋨酸(H2 OsCl6 )、氯銥酸(H2 IrCl6 )、硫酸銅(CuSO4 )及氯化亞鐵(FeCl2 )中的一種或複數種。本發明實施例中採用HAuCl4 水溶液為所述含金屬離子的溶液。
所述羧基酸優選為至少具有兩個羧基的羧基酸,該羧基酸可為檸檬酸(C6 H8 O7 )、乙二酸(H2 C2 O4 )、丙二酸(C3 H4 O4 )、丁二酸(C4 H6 O4 )、己二酸(C6 H10 O4 )、苯二甲酸(C8 H8 O4 )及戊二酸(C5 H8 O4 )等中的一種或複數種。本發明實施例採用檸檬酸(C6 H8 O7 )作為步驟二中所述羧基酸。
該羧基酸與所述含金屬離子的溶液中金屬離子的摩爾比可為1:1~10:1,本發明實施例中選取檸檬酸與氯金酸的摩爾比為1:1。
所述混合的步驟可為將該載體、含金屬離子的溶液及羧基酸溶液同時加入一反應器中混合,或將三者依次加入反應器中混合。該載體與該含金屬離子的溶液的質量比可為2.3:1至0.4:1。本發明實施例中所述混合的步驟具體為:先將該作為載體的表面包覆聚合物的奈米碳管加入到該羧基酸溶液中;然後再在該羧基酸溶液中加入該含金屬離子的溶液。
上述步驟二可進一步包括攪拌的步驟使所述載體、含金屬離子的溶液及羧基酸溶液均勻混合。本發明實施例在所述混合的同時,對該混合物進行超聲分散0.5小時~24小時使該混合物充分反應。所述反應溫度可為0℃~100℃,且在該溫度範圍內,隨著溫度的升高,後續在該載體表面的金屬粒子的擔載量增大。本發明實施例所述載體表面為包覆該奈米碳管的聚合物的表面。本發明實施例中所述反應溫度為25℃。在所述反應過程中,該羧基酸一方面與所述奈米碳管表面的聚合物依靠靜電作用力相互吸引或化學鍵結合,另一方面,該羧基酸同時作為穩定劑和弱還原劑與所述含金屬離子的溶液發生較弱的絡合反應,金屬離子以絡離子的形式存在。所述羧基酸的穩定性較好,利於調控後續所述載體表面生成的金屬粒子的粒徑及粒子的均勻分佈。本發明實施例中檸檬酸的羧基與聚苯胺的胺基可以羧胺(-COONH-)形式的化學鍵結合或羧基與胺基之間靜電作用相互吸引。另,檸檬酸的羧基與氯金酸之間發生弱的絡合反應,金離子以絡離子(如[AuCl3 COO]- )的形式存在。
上述步驟二可進一步包括調節該混合後溶液的pH值為2~8。該pH值範圍內利於後續生成的金屬粒子均勻分佈於所述載體表面。本發明實施例中,在所述反應的開始階段調節反應器中的pH值為3.3,並持續到所述反應結束。
步驟三,在上述混合液中加入還原劑,將所述絡合產物中的金屬離子還原成單質金屬粒子,該單質金屬粒子吸附於該載體表面。
所述還原劑能將該金屬離子還原成金屬單質,可為硼氫化鈉(NaBH4 )、甲醛(CH2 O)、雙氧水(H2 O2 )、檸檬酸、氫氣(H2 )或抗壞血酸等。本發明實施例中採用硼氫化鈉作為所述還原劑。該還原劑與該金屬離子的摩爾比優選為10:1~60:1,本發明實施例中選取硼氫化鈉與該氯金酸的摩爾比為50:1。
在該步驟中,將大量的所述還原劑加入到上述混合液中使金屬離子還原成單質金屬粒子並吸附於所述聚合物表面。由於本發明實施例中在上述步驟二中加入了羧基酸,該羧基酸的羧基基團在所述金屬粒子與該奈米碳管表面的聚合物之間起到一個聯橋的作用。該羧基基團不僅與所述奈米碳管表面的聚合物藉由靜電作用或化學鍵結合相互連接,還可強烈的吸附金屬粒子,從而使該金屬粒子穩定的分佈於所述載體表面。
步驟四,分離提純該表面吸附單質金屬粒子的載體。
本發明實施例藉由過濾及複數次水洗滌的方式獲得該表面吸附單質金屬粒子的載體,該表面吸附單質金屬粒子的載體即為本發明所述奈米碳管金屬粒子複合物。請參閱圖1,圖1為本發明基於上述方法製備的所述奈米碳管金屬粒子複合物100的結構示意圖。該奈米碳管金屬粒子複合物100包括奈米碳管102,包覆於該奈米碳管102表面的聚合物104,及吸附於該聚合物表面的金屬粒子106。該金屬粒子106在該聚合物104表面均勻分佈,且該金屬粒子106的粒徑為1奈米~10奈米。該金屬粒子佔該奈米碳管金屬粒子複合物的質量比為20%至60%。本發明實施例中所述奈米碳管金屬粒子複合物100為金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物。其中該聚苯胺表面的金粒子的粒徑為1奈米~5奈米。
本發明以表面包覆聚合物的奈米碳管為載體,在所述羧基酸的輔助下製備奈米碳管金屬粒子複合物。在製備過程中,該羧基酸在該載體及金屬粒子之間起到聯橋的作用,該羧基酸的羧基基團一方面與該聚合物藉由靜電作用力相互吸引或以化學鍵結合,另一方面該羧基酸藉由與該含金屬離子的溶液之間的絡合作用促進加入所述還原劑後金屬粒子在該載體表面均勻分佈,且該羧基酸的羧基基團對該金屬粒子具有較強的吸附能力,從而提高了該金屬粒子在該載體表面的擔載量,且可抑制該金屬粒子之間的團聚,使該金屬粒子在該載體表面可均勻穩定地分佈,從而可提高該奈米碳管金屬粒子複合物的催化性能。
本發明實施例基於上述方法利用多壁奈米碳管、檸檬酸、苯胺及過硫酸銨首先製備了聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體,然後利用該載體、氯金酸及硼氫化鈉在添加檸檬酸與未添加檸檬酸的條件下,製備了奈米碳管金屬粒子複合物(金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物)。
實施例1
聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體的製備:
將多壁奈米碳管和檸檬酸在300ml的水中混合形成混合物,將該混合物超聲分散2小時,將純化的苯胺加到該超聲分散後的混合物中,在冰浴條件下(0℃~5℃),將過硫酸銨水溶液加到該已加入苯胺的混合物中,攪拌下使苯胺發生聚合反應,12小時後將反應生成的沈澱物過濾,及水洗滌該沈澱物複數次,獲得表面包覆聚苯胺的多壁奈米碳管,即聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體。其中,該多壁奈米碳管與苯胺的質量比為1:2,該過硫酸銨、苯胺及檸檬酸的摩爾比為2:1:2。
金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物的製備:
在25℃下,將該聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體加入到檸檬酸溶液中,並按檸檬酸和氯金酸的摩爾比1:1加入氯金酸溶液,超聲分散30分鐘。該載體與氯金酸的質量比為2.2:1。待穩定反應8小時後,按硼氫化鈉和氯金酸的摩爾比為50:1加入硼氫化鈉溶液攪拌反應生成沈澱物,過濾並水洗滌該沈澱物。獲得金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物。其中,該金粒子的粒徑為2奈米~5奈米,該複合物中金粒子佔該複合物的質量百分比為40%。請參閱圖2,圖2為該實施例1中製備的奈米碳管金屬粒子複合物的透射電鏡照片。
對比實施例1
製備過程與實施例1相同,區別在於,利用制得的聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體進一步製備金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物時未使用檸檬酸。請參閱圖3,圖3為該對比實施例1中製備的奈米碳管金屬粒子複合物的透射電鏡照片。
請一併參閱圖2和圖3,從圖可看出,金粒子分佈在聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體表面。且圖3中,部分金粒子在該載體表面團聚在一起,而圖2中,大量的金粒子均勻地分佈於該載體表面,並未出現團聚現象,表明所述檸檬酸的添加利於抑制該生成的奈米碳管金屬粒子複合物中金屬粒子的團聚。
實施例2
製備過程與實施例1相同,區別在於,所述載體與氯金酸的質量比為0.33:1,同時與氯金酸成比例的檸檬酸與還原劑的含量對應提高,最終生成的金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物中,金粒子佔該複合物的質量百分比為60%。請參閱圖4,圖4為該實施例2中製備的奈米碳管金屬粒子複合物的透射電鏡照片。
對比實施例2
製備過程與實施例2相同,區別在於,利用制得的聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體進一步製備金/聚苯胺/多壁奈米碳管複合物時未使用檸檬酸。請參閱圖5,圖5為該對比實施例2中製備的奈米碳管金屬粒子複合物的透射電鏡照片。
請一併參閱圖4和圖5,從圖中可看出,隨著金離子的含量的增加,生成的金粒子的粒徑略微增大,大量的金粒子吸附在聚苯胺/多壁奈米碳管複合物載體表面。比較圖4和圖5可知,圖4中金粒子在該載體表面的擔載量明顯增大,且在該載體表面均勻分佈。表明該羧基酸的添加,既可增強該載體表面金屬粒子的有效吸附量,且可有效地調控該金屬粒子均勻的分散於該載體表面。而圖5中,該金粒子在該載體表面的含量相對較少,且分佈不夠均勻。
綜上所述,本發明確已符合發明專利之要件,遂依法提出專利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佳實施例,自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化,皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧奈米碳管金屬粒子複合物
102‧‧‧奈米碳管
104‧‧‧聚合物
106‧‧‧金屬粒子
圖1為本發明提供的奈米碳管金屬粒子複合物的結構示意圖。
圖2為本發明實施例1提供的奈米碳管金屬粒子複合物的透射電鏡(TEM)照片。
圖3為本發明對比實施例1提供的奈米碳管金屬粒子複合物的TEM照片。
圖4為本發明實施例2提供的奈米碳管金屬粒子複合物的TEM照片。
圖5為本發明對比實施例2提供的奈米碳管金屬粒子複合物的TEM照片。
100‧‧‧奈米碳管金屬粒子複合物
102‧‧‧奈米碳管
104‧‧‧聚合物
106‧‧‧金屬粒子

Claims (18)

  1. 一種奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,包括以下步驟:
    提供載體,該載體包括奈米碳管及包覆在奈米碳管表面的聚合物;
    將該載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合形成一混合液並進行反應,得到一絡合產物;
    在上述混合液中加入還原劑,將絡合產物中的金屬離子還原成單質金屬粒子,該單質金屬粒子吸附於該載體表面;及
    分離提純該表面吸附單質金屬粒子的載體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述金屬離子為金、銀、鉑、銅、釕、銠、鈀、鋨、銥、銅、鐵、鈷及鎳的離子中的一種或複數種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,該含金屬離子的溶液為氯金酸、氯化金、硝酸銀、氯鉑酸、氯化釕、氯銠酸、氯化鈀、氯鋨酸、氯銥酸、硫酸銅及氯化亞鐵的溶液中的一種或複數種。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述羧基酸溶液中的羧基酸至少具有兩個羧基。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述羧基酸為檸檬酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、苯二甲酸及戊二酸中的一種或複數種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述還原劑為硼氫化鈉、甲醛、雙氧水、檸檬酸、氫氣及抗壞血酸中的一種或幾種。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述還原劑與所述金屬離子的摩爾比為10:1~60:1。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述將該載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合的過程為:先在該羧基酸溶液中加入該載體,然後加入該含金屬離子的溶液。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,進一步包括攪拌的步驟使該載體、含金屬離子的溶液及羧基酸溶液均勻混合。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,該攪拌的步驟為超聲分散0.5小時~24小時。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合並進行反應的反應溫度為0℃~100℃。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,在所述將該載體與含金屬離子的溶液及羧基酸溶液混合的過程中進一步調節該混合後溶液的pH值為2~8。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述含金屬離子的溶液中的金屬離子與該羧基酸的摩爾比為1:1~1:10。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述載體與所述含金屬離子的溶液的質量比為2.3:1至0.4:1。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述載體藉由如下方法製備:
    提供奈米碳管、聚合物單體及可引發該聚合物單體聚合的引發劑;
    在水中混合該奈米碳管和聚合物單體形成一混合物;
    將所述引發劑加入該混合物中,使所述聚合物單體之間發生聚合反應,生成的聚合物包覆在該奈米碳管表面,及
    分離提純該表面包覆聚合物的奈米碳管。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述聚合物單體為苯胺、吡咯、噻吩、醯胺、丙烯亞胺、乙醯苯胺、甲基吡咯、乙烯二氧噻吩、醯胺二銨或己內醯胺。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述在水中混合該奈米碳管和聚合物單體的步驟進一步包括加入羧基酸溶液。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的奈米碳管金屬粒子複合物的製備方法,其中,所述羧基酸為檸檬酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、苯二甲酸及戊二酸中的一種或複數種。
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