CN101805134B - 二氧化钒薄膜的镀膜液和薄膜的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学功能材料领域，公开了一种二氧化钒薄膜的镀膜液和二氧化钒薄膜的制备方法及应用。该二氧化钒薄膜的镀膜液，包括如下含量的溶质：四价钒的化合物：摩尔浓度为0.001-10Mol/L；添加剂：质量百分含量为0.01％-40％；所述的添加剂选自油酸、盐酸、氢氟酸、氨水、双氧水、乙二醇、甘油、油胺、十六烷基三甲基溴化铵、四丙基溴化铵和聚乙烯醇中的一种或者几种。本发明还公开了一种二氧化钒薄膜的制备方法，可以获得高的可见光透过率和红外智能调控能力的金红石型二氧化钒薄膜，从而使得该方法制备的薄膜能够满足不同应用要求的节能窗。本发明制备工艺简单、安全性好，适合于大规模的工业化制备与推广。

Description

二氧化钒薄膜的镀膜液和薄膜的制备方法及应用

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及了一种二氧化钒薄膜的制备方法，尤其涉及一种通过化学溶液途径制备具有高可见光透过率和红外智能调控能力的二氧化钒薄膜的方法。

背景技术

体单晶二氧化钒材料在68℃附近发生可逆的相转变，升温过程从单斜结构的半导体相变为具有四方结构的金属相。在这个过程中，包括光学、电学，以及磁学等性质在内的物理量发生突变。以光学性质为例：低温时(＜68℃)，二氧化钒材料为带隙0.6eV的半导体，在红外光区具有高的透过率；高温时(＞68℃)，二氧化钒转变为弱的金属，对红外光具有高的反射和吸收，使得二氧化钒薄膜的透过率有很大的下降。但同时，在相变的过程中，可见光区的透过率几乎不发生变化，因而没有视觉上的颜色差异。其相变温度也可以通过掺杂等措施调整至室温附近。

利用二氧化钒材料的这种独特性质，可将其应用于节能窗领域。通过智能响应环境温度的变化，调节进入室内的太阳光光热：在夏季，环境温度较高的情况下，二氧化钒发生相变，可以阻止太阳光热进入室内，起到降低室内温度的作用；在冬季，环境温度较低的情况下，允许太阳光热进入室内，起到加热保暖的作用。通过这种对环境温度的智能化响应，可以减少空调和采暖等的消耗，起到增加居住舒适性、同时节约资源、保护生态环境的作用。近年来，基于二氧化钒材料的智能窗研究引起了各主要发达国家的普遍关注。

虽然二氧化钒材料的研究已经有相当长的历史，但从目前的报道来看，该材料应用于智能节能窗，仍然面临以下两个主要问题：(一)目前已知的各种方法制备的薄膜可见光透过率普遍不高。50nm厚度的薄膜的可见光积分透过率很难达到30％，而对于优化厚度的薄膜来说，其可见光透过的峰值也都在50％以下，不能满足普通住宅采光的要求。专利申请号200510121424.4的专利提出采用加入增透层的方法提高可见光透过率，但增加的工序将造成成本的增加，不利于大规模推广与应用。(二)目前已知方法制备的薄膜对于红外光区调解的幅度仍然不足。在薄膜的可见光峰值达到50％的情况下，在相变前后其2000nm处的透过率变化很难到达50％。虽然薄膜厚度的增加，在一定范围内可以提高相变前后的红外光区透过率变化，但是随之而来的是可见光透过率的急剧下降，对于实际应用不利。

本发明开发了一种液相法制备二氧化钒薄膜的工艺。选用低毒性的四价钒的醇盐为原料，加入适当的溶剂和添加剂，制备出了具有相变特性的不掺杂或者掺杂的二氧化钒薄膜。其原料的镀膜液制备与烧结过程控制简单，不需要还原性气氛。通过该方法所得到的薄膜具有独特的表面微孔结构，在获得较高的可见光透过率的同时，也保持了较强的红外调控性能，为新型智能温控材料提供了一种低成本、大面积、可工业化实施的新技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种液相法制备二氧化钒薄膜的工艺，以克服现有技术的不足。

为了解决二氧化钒薄膜作为智能节能材料所面临的可见光透过率低、红外调控性能不高、制备成本较高、工艺复杂等的问题，本发明公开了一种液相法制备二氧化钒薄膜，其前驱物为四价态的钒的化合物，低毒且热处理过程易控制。此种方法所制备的二氧化钒薄膜具有独特的微孔结构，并具有高的可见光透过率和相变前后的红外调控性能，可应用于智能温控涂层等相关领域。

本发明提供了一种二氧化钒薄膜的镀膜液，包括如下含量的溶质：

四价钒的化合物：摩尔浓度为0.001-10Mol/L；

添加剂：质量百分含量为0.01％-40％；

所述的添加剂选自油酸、盐酸、氢氟酸、氨水、双氧水、乙二醇、甘油、油胺、十六烷基三甲基溴化铵、四丙基溴化铵和聚乙烯醇中的一种或者几种；所述的添加剂的质量百分含量是指添加剂相对于镀膜液的质量百分比；所述的添加剂的加入是为了改善溶液的成膜性能；

所述的四价钒的化合物选自乙酰丙酮氧钒、二氯二茂钒中的至少一种；

所述的四价钒的化合物的摩尔浓度一般为0.01-1Mol/L；

所述的添加剂的质量百分含量优选为0.1％-29％。

上述的二氧化钒薄膜的镀膜液中，所述溶质还包括掺杂元素的相应元素化合物，所述掺杂元素的相应元素化合物的总摩尔数相对于四价钒的化合物的摩尔百分比为0.01％-15％；

所述掺杂元素的相应元素化合物的总摩尔数相对于四价钒的化合物的摩尔百分比优选为0.07％-12％；

所述的掺杂元素选自钨、钼、金、钛、镁、铝、氟中的一种或几种；

所述掺杂元素的相应元素化合物分别为：

钨酸、钨酸钠、钨酸钾、六氯化钨、钨酸铵；

钼酸、钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵、乙酰丙酮钼、氯化钼、四钼酸铵；

氯金酸、氯化金钾、氯金酸钠；

四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、偏钛酸；

乙醇镁、硫酸镁、氯化镁、氟化镁、硝酸镁、柠檬酸镁；

氯化铝、硝酸铝、异丙醇铝；

氢氟酸、氟化钾、氟化锂、氟化钠。

本发明还提供了一种二氧化钒薄膜的镀膜液制备方法，包括如下步骤：按所述的溶质含量，将所述溶质与溶剂混合均匀，陈化后得到二氧化钒薄膜的镀膜液。

上述制备方法的具体制备过程为：将四价钒的化合物与溶剂混合，再加入添加剂，陈化30分钟到1周后得到镀膜液；对于掺杂的二氧化钒薄膜的镀膜液，可同时溶入掺杂元素的相应元素化合物得到掺杂的二氧化钒薄膜的镀膜液。

所述的溶剂选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙酰丙酮、甲苯、氯仿中的一种或几种，或者选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙酰丙酮、甲苯、氯仿中的一种或几种与水的混合溶液

所述的镀膜液可以用于制备二氧化钒薄膜。本发明用所述的镀膜液制备二氧化钒薄膜的方法，其主要步骤如下：

(1)镀膜液镀膜：在清洗过的所需玻璃衬底上采用所述的二氧化钒薄膜的镀膜液镀制所需厚度的薄膜，烘干处理，以备烧结使用；

(2)薄膜的烧结：将步骤(1)中烘干处理的薄膜在真空或非氧化性气氛下烧结，烧结温度为250-1000℃，烧结时间为1min.-20h，烧结完毕，冷却后取出，得到二氧化钒薄膜。

步骤(1)中，所述的玻璃衬底选自石英玻璃、普通建筑玻璃；所述的玻璃衬底清洗工艺采用标准的RCA工艺清洗，取出表面的有机物，尘土以及金属离子杂质。

所述的镀膜液镀膜工艺采用现有公知的方法。

步骤(2)中所述的非氧化性气氛选自氮气、氩气、二氧化碳、氨气中的一种或几种；

所述的烧结温度优选为400-600℃。

本方法制得的二氧化钒薄膜的厚度为10-1000nm，该薄膜整体上具有金红石型结晶相，且具有大量的未贯穿整个膜层的微孔结构，所述微孔的孔径为10-500nm；所得到的薄膜具有高的可见光透过率和相变前后的红外调控性能。

上述所述的二氧化钒薄膜的厚度优选为25-142nm；所述微孔的孔径优选为10-200nm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.通过简单的镀膜工艺得到的二氧化钒薄膜具有较高的可见光透过率和红外智能调节能力。对于50nm厚的薄膜，其可见光区峰值透过率可达60％以上，2000nm处红外光区相变前后透光率变化仍可达50％。

2.形成的薄膜具有一定的微孔结构，通过膜厚的控制，可以实现可见光透过和红外调控的性能的大范围调整，使得本发明所制备的薄膜能够满足不同针对性的应用要求。

3.选用的原料之一为钒的四价醇盐，低毒、有利于操作人员的健康。

4.所用的工艺为液相法，镀膜的实现比较方便、设备要求简单、操作控制方便，可方便实现大面积制备，并可用于玻璃等的生产工艺的在线或者离线式镀膜生产。

5.所得到的二氧化钒薄膜表面平整均匀、成膜质量好。

6.反应过程不需要使用氢气等还原气氛，生产不存在爆炸等危险因素。

7.可以方便的实现二氧化钒薄膜的掺杂，相变温度可以在比较宽的范围内调整。

本发明的液相法与磁控溅射、化学气相沉积等方法相比具有设备要求低、投资少、工艺相对简单、可大面积生产等优势。所得到的薄膜表现出高的可见光透过率和红外调控能力(例如对于50nm左右的薄膜，在保持其可见光区(380-780nm)的峰值达60％以上的情况下，近红外2000nm处相变前后的透过率变化仍可达50％)，并随着膜厚的变化能够分波段调控薄膜的光学性能，如果厚度小于30nm的条件下，还可以获得具有极高可见光透过率(如石英基板，＞80％)的薄膜；厚度超过180nm的情况下，也可以获得红外完全截至的薄膜，能够满足不同用途的红外光调解要求。

总体上，通过该方法制备的二氧化钒薄膜能够满足智能窗材料的高可见光通过率与智能节能效率的要求，可用于智能温控涂层等相关领域，是一种可以实用化生产应用的制备技术。

附图说明

图1为实施例1所得到的不掺杂二氧化钒薄膜的XRD图谱

图2为实施例1所得到的不掺杂二氧化钒薄膜的SEM图谱

图3为实施例1所得到的不掺杂二氧化钒薄膜的AFM图片

图4为实施例1所得到的不同厚度的不掺杂二氧化钒薄膜的相变前后不同波长的透过率变化图谱

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1.

制备不掺杂的二氧化钒薄膜

(1)镀膜液制备：

取乙酰丙酮氧钒1g(摩尔浓度为0.06Mol/L)，经过简单的研磨，将所得粉末放入100ml烧杯，加入甲醇、酒精和丙醇的混合溶液40ml，其中甲醇、酒精和正丙醇的体积比为2∶1∶2，放入磁力搅拌器中搅拌。加入油酸、乙二醇和甘油的混合添加剂共20ml(混合添加剂的质量百分含量为40％)，其中油酸、乙二醇和甘油的体积比为1∶1∶2，搅拌并陈化一周后得到二氧化钒薄膜的镀膜液。

(2)清洗衬底：

选择衬底为石英玻璃，采用标准的RCA工艺清洗，取出表面的有机物，尘土以及金属离子杂质。之后将衬底放入60℃烘箱干燥处理，以备使用。

(3a)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的未掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；再高速6000转/分钟，保持30秒。将旋涂所得到的薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后得到所需厚度的薄膜。

(3b)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的未掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；再高速3000转/分钟，保持30秒。将旋涂所得到的薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后得到所需厚度的薄膜。

(3c)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的未掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；再高速3000转/分钟，保持30秒。将旋涂所得到的薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后重复以上旋涂过程3次得到所需厚度的薄膜。

(4)二氧化钒薄膜烧结

将上述步骤(3a)、(3b)、(3c)所得到的薄膜依次放入真空管式炉，在N₂下进行烧结，烧结温度为600℃，烧结时间为3小时。待烧结完毕，将三个薄膜依次在80℃以下取出，得到厚度分别为25nm、50nm、142nm的二氧化钒薄膜。

图1为实施例1所得到的不掺杂的二氧化钒薄膜的XRD图谱，可知所得到的薄膜具有较高纯度的二氧化钒金红石结晶相。

图2为实施例1所得到的不掺杂的二氧化钒薄膜的SEM图谱，其测试结果可知，所得到薄膜致密均匀，粒子直径在20-50nm，且无破损和裂纹等影响薄膜质量的结构出现。

图3为实施例1所得到的不掺杂的二氧化钒薄膜的AFM图片，从图中可以看到，薄膜整体上具有大量的微孔存在，这对于提升可见光透过率将是极为有利的；同时，微孔具有一定的大小，孔径为10-200nm，并且这些微孔并没有完全贯通整个膜层，因而对于透过的红外光仍具有一定的调节能力。

总体上正是这种独特的表面微结构和良好的金红石型结晶相促使薄膜具有较好的光学性能。从图3可以知道，对于目前的已知报道来说，运用该方法制备的薄膜较好的综合了可见光透过率和红外调控能力，并可以通过膜厚控制满足不同针对性的应用要求。

图4为实施例1所制备的不掺杂二氧化钒薄膜所获得的不同厚度的薄膜相变前后的不同波长范围的透过率变化图谱和实施例2、实施例4所制备的掺杂的二氧化钒薄膜所获得的50nm厚度的薄膜相变前后的不同波长范围的透过率变化图谱，可以看到，对于25nm(厚度＜30nm)厚度的薄膜，其可见光透过率峰值最高可达83％以上，而红外2000nm处的透过率变化仍有20％。这类薄膜可以满足需要高可见光透过的如汽车前视窗的要求；对于50nm(厚度为40-80nm)厚度的薄膜，其可见光透过率在60％以上，而2000nm处红外透过率变化可在40-60％之间。这类厚度的薄膜具有比较高的可将光透过，同时也具有较强的红外调控能力，可以满足普通建筑的窗户节能的要求；而对于142nm(厚度＞100nm)厚度的薄膜，则具有高的红外调控和高温相红外截止的能力，但可见光透过率较低。这类薄膜可以用于对可见光要求不高的位置，如汽车后窗等的安装需要。

实施例2

掺杂摩尔百分比为3％的钨的二氧化钒薄膜

(1)镀膜液制备：

取乙酰丙酮氧钒10g，钨酸0.28g，经过简单的研磨，将所得粉末放入500ml烧杯，加入甲醇、酒精和丙醇的混合溶液200ml，其中甲醇、酒精和丙醇的体积比为2∶1∶2，放入磁力搅拌器中搅拌。加入油酸和盐酸的混合添加剂共0.2ml(混合添加剂的质量百分含量为0.1％)，其中油酸和盐酸的体积比为1∶1，搅拌并陈化一周后得到掺杂的二氧化钒薄膜镀膜液。

(2)清洗衬底：

选择衬底为石英玻璃，采用标准的RCA工艺清洗，取出表面的有机物，尘土以及金属离子杂质。之后将衬底放入60℃烘箱干燥处理后备用。

(3)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；再高速3000转/分钟，保持30秒。将旋涂所得到薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后重复以上旋涂过程得到需要厚度的薄膜。

(4)掺杂二氧化钒薄膜的烧结

将上述步骤(3)所得到的薄膜放入真空管式炉，在N₂下进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为5分钟。待烧结完毕，将薄膜在80℃以下取出，得到50nm厚度的掺杂的二氧化钒薄膜。经XRD图谱检测，该掺杂的二氧化钒薄膜具有高纯度的二氧化钒金红石结晶相；经SEM图谱检测，所得到薄膜致密均匀，粒子直径在20-50nm，且无破损和裂纹等影响薄膜质量的结构出现；经AFM图片检测，该薄膜整体上具有大量的微孔存在，孔径为10-200nm，并且这些微孔没有完全贯通整个膜层。经该掺杂的二氧化钒薄膜相变前后的不同波长的透过率变化图谱检测可知其可见光透过率在60％以上，而2000nm处红外透过率变化在60％左右。

实施例3.

制备掺杂摩尔百分比为0.07％的钨的二氧化钒薄膜

(1)镀膜液制备：

取乙酰丙酮氧钒10g，0.0066g钨酸，经过简单的研磨，将所得粉末放入100ml烧杯，加入甲醇和正丙醇的混合溶液250ml，其中甲醇和正丙醇的体积比为2∶1，放入磁力搅拌器中搅拌。加入油酸、氢氟酸和双氧水混合添加剂共20ml(混合添加剂的质量百分含量为16％)，其中油酸、氢氟酸和双氧水体积比例为5∶1∶1。搅拌并陈化一周后得到二氧化钒薄膜的镀膜液。

(2)清洗衬底：

选择衬底为石英玻璃，采用标准的RCA工艺清洗，取出表面的有机物，尘土以及金属离子杂质。之后将衬底放入60℃烘箱干燥处理，以备使用。

(3)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的未掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；后高速3000转/分钟，保持30秒。。将旋涂所得到的薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后重复以上旋涂过程得到所需厚度的薄膜。

(4)二氧化钒薄膜烧结

将上述步骤(3)所得到的薄膜放入真空管式炉，在N₂下进行烧结，烧结温度为400℃，烧结时间为6小时。待烧结完毕，将薄膜在80℃以下取出，得到50nm厚度的掺杂钨的二氧化钒薄膜。经XRD图谱检测，该掺杂的二氧化钒薄膜具有高纯度的二氧化钒金红石结晶相；经SEM图谱检测，所得到薄膜致密均匀，粒子直径在20-50nm，且无破损和裂纹等影响薄膜质量的结构出现；经AFM图片检测，该薄膜整体上具有大量的微孔存在，孔径为10-200nm，并且这些微孔没有完全贯通整个膜层。

实施例4

制备钛钨二元共掺杂(偏钛酸摩尔百分比为8％，钨酸摩尔百分比为4％，总摩尔百分比为12％)的二氧化钒薄膜：

(1)镀膜液制备：

取乙酰丙酮氧钒10g，0.295g偏钛酸，0.377g钨酸经过简单的研磨，将所得粉末放入250ml烧杯，加入甲醇和正丙醇的混合溶液100ml，其中甲醇和正丙醇的体积比为2∶1，放入磁力搅拌器中搅拌。加入油酸、氢氟酸和双氧水混合添加剂共40ml(混合添加剂质量含量为29％)，其中乙二醇、氢氟酸和双氧水体积比例为5∶1∶1，。搅拌并陈化一周后得到二氧化钒薄膜的镀膜液。

(2)清洗衬底：

选择衬底为石英玻璃，采用标准的RCA工艺清洗，取出表面的有机物，尘土以及金属离子杂质。之后将衬底放入60℃烘箱干燥处理，以备使用。

(3)镀膜液镀膜

选取上述步骤(1)所得的未掺杂镀膜液，采用旋涂机镀膜。旋涂速度与时间分别为：先低速200转/分钟，保持10秒钟；再高速3000转/分钟，保持30秒。将旋涂所得到的薄膜放入60℃烘箱，干燥十分钟后重复以上旋涂过程得到所需厚度的薄膜。

(4)二氧化钒薄膜烧结

将上述步骤(3)所得到的薄膜放入真空管式炉，在N₂下进行烧结，烧结温度为600℃，烧结时间为18小时。待烧结完毕，将薄膜在80℃以下取出，得到厚度为50nm的掺杂钛钨的二氧化钒薄膜。经XRD图谱检测，该掺杂的二氧化钒薄膜具有高纯度的二氧化钒金红石结晶相；经SEM图谱检测，所得到薄膜致密均匀，粒子直径在20-50nm，且无破损和裂纹等影响薄膜质量的结构出现；经AFM图片检测，该薄膜整体上具有大量的微孔存在，孔径为10-200nm，并且这些微孔没有完全贯通整个膜层。

Claims (6)

1.一种二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)镀膜液镀膜：在标准RCA工艺清洗过的玻璃衬底上采用二氧化钒薄膜的镀膜液镀制需厚度的薄膜，烘干处理，以备烧结使用；

(2)薄膜的烧结：将步骤(1)中烘干处理的薄膜在真空或非氧化性气氛下烧结，烧结温度为250-1000℃，烧结时间为1min.-20h，烧结完毕，冷却后取出，得到二氧化钒薄膜；

所述二氧化钒薄膜的镀膜液，包括如下含量的溶质：

四价钒的化合物：摩尔浓度为0.001-10mol/L；

添加剂：质量百分含量为0.01％-40％；

所述的添加剂选自油酸、盐酸、氢氟酸、氨水、双氧水、乙二醇、甘油、油胺、四丙基溴化铵和聚乙烯醇中的一种或者几种；

所述的四价钒的化合物选自乙酰丙酮氧钒、二氯二茂钒中的至少一种；

所述镀膜液的溶剂选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙酰丙酮、甲苯、氯仿中的一种或几种，或者选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、乙醚、乙酰丙酮、甲苯、氯仿中的一种或几种与水的混合溶液。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：所述溶质还包括掺杂元素的相应元素化合物，所述掺杂元素的相应元素化合物的总摩尔数相对于四价钒的化合物的摩尔百分比为0.01％-15％；

所述掺杂元素的相应元素化合物选自钨酸、钨酸钠、钨酸钾、六氯化钨、钨酸铵、钼酸、钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵、乙酰丙酮钼、氯化钼、四钼酸铵、氯金酸、氯化金钾、氯金酸钠、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、偏钛酸、乙醇镁、硫酸镁、氯化镁、氟化镁、硝酸镁、柠檬酸镁、氯化铝、硝酸铝、异丙醇铝、氢氟酸、氟化钾、氟化锂和氟化钠中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的一种二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：所述的非氧化性气氛选自氮气、氩气、二氧化碳、氨气中的一种或几种。

4.一种二氧化钒薄膜，为根据权利要求1或2所述的二氧化钒薄膜的制备方法制得，所述 的二氧化钒薄膜的厚度为10-1000nm，该薄膜具有金红石型结晶相，且具有10-200nm未贯穿整个膜层的微孔结构。

5.一种二氧化钒薄膜，为根据权利要求3所述的二氧化钒薄膜的制备方法制得，所述的二氧化钒薄膜的厚度为10-1000nm，该薄膜具有金红石型结晶相，且具有10-200nm未贯穿整个膜层的微孔结构。

6.一种根据权利要求4所述的二氧化钒薄膜在智能温控涂层中的应用。 

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