합성과 메조 포러스 실리카의 벽에 금 층상의 촉매 성능

1Department of Chemistry and Geochemistry, Colorado School of Mines
Published 7/09/2015
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Chemistry

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Ji, Y., Caskey, C., Richards, R. M. Synthesis and Catalytic Performance of Gold Intercalated in the Walls of Mesoporous Silica. J. Vis. Exp. (101), e52349, doi:10.3791/52349 (2015).

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Abstract

유망한 촉매 활성 나노 반응기로, 메조 포러스 실리카 (GMS)에서 인터 금 나노 입자가 성공적으로 합성하고, 물질의 특성을 조사 하였다. 우리는 메조 포러스 실리카의 벽에 금 나노 입자를 층간 삽입하도록 한 냄비 졸 - 겔법을 사용했다. 합성을 시작하는, P123가 미셀을 형성하기 위해 주형으로 사용되었다. 이어서 TESPTS 금 나노 입자를 층간 삽입하는 표면 개질제로서 사용 하였다. 이 프로세스에 따라, TEOS 산성 환경에서 중합 공정을 시행 한 실리카 공급원으로서 첨가 하였다. 열수 처리 및 하소 후에, 최종 생성물을 획득 하였다. 몇 가지 기술은 금 인터 메조 포러스 실리카의 기공 형태와 구조를 특성화하기 위해 사용 하였다. 결과는 골드 인터 후 메조 포러스 실리카의 안정한 구조를 보였다. 반응 벤치 마크로서 벤질 알코올의 산화를 통해, GMS 물질은 높은 SELEC 나타났다tivity 및 재활용.

Introduction

촉매 분야에서 큰 잠재력을 가진 신흥 기술로, 나노 크기의 물질은 과거 수십 년간 집중적 인 연구의 관심을 받았다. 나노 촉매를보고 사이에, 금 (Au), AG, 팔라듐과 백금 등의 귀금속 촉매는 세계적으로 주목 1-3을 받고있다. 선택은 촉매 반응에 금과 백금, 팔라듐 헥크 반응에 촉매 및 물 분해를 일산화탄소 연구자의 산화를 포함한다. 촉매 유망한 잠재력에도 불구하고, 금 나노 인한 중독, 코크스, 열분해, 소결에서 불 활성화 그 적용이 제한된다. 이는 귀금속 대한 대표로서, 높은 선택성을 가지며, 적은 금속 침출 경향, 과잉 산화, 4자가 중독, 즉 금을보고되었다. 그러나, 금은 촉매 성능 강하게 입도에 의존한다. Haruta 등의 알은. 촉매 성능 및 이동의 관계를보고했습니다LD 클러스터 직경, 입자 직경 2.7 ~ 5 nm 인 금으로 촉매의 높은 활성을 입증.

귀금속의 입경은 제조 방법 6-9에 의해 제어 될 수있다; 그러나, 다양한 응용 프로그램으로 주요 방해가 집계 및 활동의 손실 남아있다. 소결의 문제점을 해결하기 위해, 통상적 인 방법은 지지체 물질 상에 나노 입자를 고정화하는 것이다. 다양한지지 물질은 다공성 실리카 10-11, 금속 산화물 반도체 (12 ~ 13), (14) 폴리머, 그라 펜 (15)과 카본 나노 튜브 (16)를 포함하여 적용되었다. 그것이 열적 및 화학적으로 안정한 비교적 불활성 만 약산성이며, 매우 잘 정의 된 메조 / 미세 다공성으로 제조 할 수 있기 때문에 사용되는 재료의 사이에, 다공질 실리카 지지체로서 매력적인 재료이다. 다공성 구조는 금속 입자에 대해 양호한 지원을 제공하지만, 기판의 크기 선택적 액세스를 부여금속 촉매. 이 때문에 이러한 선택성은 다공성 물질과 관련된 가변성 특히 유망하다. 종종, 금 입자는 이렇게 어려운 실리카 (19) 상에 금 나노 입자를 제조하기 위하여, 17-18 실리카 표면에 매우 용이하게 이동하고, 고온에 노출 될 때 매우 큰 (50+ ㎚) 반응성 입자를 형성하는 것이 발견된다. 케르 외. 3- 아미노 프로필 - 트리 메 톡시 실란 및 3- 머 캅토 프로필 - 트리에 톡시 실란, 및 지원되는 금 나노 입자에 의해 중세 공성 실리카 MCM-41에 단 분산 금 나노 입자의보고 고정화 수소화 반응에 대한 활성이 높은 것으로 밝혀졌다과 금의 어떠한 침출이 발견되지 않았다 반응 20.

메조 포러스 실리카의 표면 개질의보고에 따라, 우리는 금을 제조하는 방법은 메조 포러스 실리카 (GMS)의 벽에 인터 신고. 또한, 메조 포러스 실리카 지원 방법은 확장 가능한 AP를 제공합니다에 proach 잠재적 독립적으로 촉매 및 다공성 환경을 변경. 촉매 공정은 중요한 경제적 중요성 때문에, 이점까지 도달 될 수있다. 개발하는 능력은 "그린"촉매 환경에 지대한 긍정적 인 영향을 미칠 중요한 산업 공정의 경제성 및 자원 효율성을 개선한다.

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Protocol

GMS 1. 준비

  1. 수신 한 다음 프로세스에서 모든 화학 물질을 사용합니다.
  2. 염산 (HCL) 솔루션의 2 (M)의 75 mL로 준비합니다. 폴리 (에틸렌 글리콜)의 2.0 g을 달아 - 블록 - 폴리 (프로필렌 글리콜) - 블록 - 폴리 (에틸렌 글리콜) (P123, MW = 5800) 및 2 M HCl 용액의 제조 75 ㎖ 중에 옮긴다. P123이 완전히 용해 될 때까지 실온에서 350 R / 분의 속도로 용액을 자석 교반을 적용한다. 용액은 명백 할 것이다.
  3. 작은 유리 병 및 전송 비스의 180 μL에 테트라에 톡시 실란 4g (TEOS, MW = 208.33)을 달아 [3- (트리에 톡시 실릴) 프로필] -tetrasulfide (TESPTS, MW = 538.94) 유리 병에. 천천히 유리 병 두 화학 물질을 섞어 흔들어. 다른 바이알에 염화 금산의 38 mg의 (HAuCl 4, 99.90 %)의 무게 및 DI 물 1 ㎖에 녹여.
  4. 열전대에 의해 온도 제어 된 오일 조에서 35 ° C로 P123 용액의 온도를 증가시킨다.
  5. 추가 TEOS의 혼합물과 모든TESPTS는 P123 솔루션 단계 1.3에서 준비, 700 R / 분의 활발한 자기 교반에서 솔루션을 유지. 2 분 동안 교반 솔루션을 유지 한 후 30 초 이내에 단계 1.3 적가 준비 HAuCl 4 솔루션을 모두 추가 할 수 있습니다.
  6. 35 ℃에서 24 시간 동안 700 R / 분에서 교반 솔루션을 유지합니다.
  7. 24 시간 후, 72 시간 동안 100 ℃에서 오븐 세트에서 밀폐 용기에 저장 용액을 전송. 이것은 열수 처리라고합니다.
  8. 열수 처리 한 후, 염산을 제거하기 위해 잔류 물을 2 회, 에탄올을 세척 한 후, 깔때기 아래에 세 번 1 번 여과 종이 부압 용액을 필터. 각각의 세척 과정에서, 고체 위의 물 또는 에탄올 1cm를 추가하고 재료가 마를 때까지 기다립니다.
  9. 4 시간 동안 550 ℃에서 세라믹 도가니 하소로 여과에서 침전을 전송합니다. 다음과 같이 램프 프로그램을 설정 : 25 ° C에서 550 ° C에 2 시간, 4 550 ℃로 유지시간 후 온도가 40 ° C 이하로 떨어질 때까지 도어가 닫힌 샘플로 유지 할 수있다.
  10. 하소 후, 플라스틱 주걱으로 유리 바이알에 제품을 옮긴다. 합성 물질은 붉은 색을 가지고있다.

2. 촉매 반응, 벤질 알코올의 산화

  1. 벤질 알콜의 산화가 별도의 용매없이 액상 반응, 측정 5 벤질 알코올 (99.8 %)의 용액 및 25 mL의 3 구 플라스크에 그것을 전송하기 때문에, 다음 GMS 촉매 10 ㎎을 계량하며 벤질 추가 알코올.
  2. 반응 온도를 정확하고 균일 한 제어를 보장하기 위해, 자기 교반하면서 온도 제어 오일 조를 설정한다.
  3. 오일 욕에 벤질 알코올과 촉매를 넣고 플라스크 후 100 ° C까지 온도를 설정하고 (150), R / 분으로 교반한다.
  4. 질량 흐름 제어기에 의해 제어되는 2 ㎖ / 분으로 플라스크에 99.9 % 순도로 산소 가스가 흐른다.
  5. 때오일 욕의 온도는 삼구 플라스크에 산소 가스를 도입, 100 ° C에 도달하여 안정화시킨다.
  6. 산소 유속 및 온도를 일정하게 유지하고, 반응을 6 시간 동안 수행 할 수있다.
  7. 반응 후, 1 번 여과 종이 제품 필터. 액상을 수집하고 가스 크로마토 그래피 (GC) 바이알에 분취 옮긴다. GC 바이알에서, (예를 들어, 36 μL 시료 144 μL 아세트산을 사용합니다.) 모든 일부 샘플에 대한 네 부분의 HPLC 등급 초산을 혼합 분석을위한 가스 크로마토 그래프 자동 샘플러에 병을 넣어. DI 물과 에탄올로 여과지에 고체 침전물을 세척 한 후 공기 중에서 건조 할 수 있습니다. 재활용 촉매로서 주걱으로 건조 된 고체를 수집합니다.
  8. 재활용 촉매로 3 회 2.7을 통해 단계 2.3에서 같은 실험 절차를 반복합니다. 각각의 반복에서, 단계 2.2에 기재된 비율에 맞게 벤질 알코올의 양을 조절한다.

3. THER열 안정성 테스트를위한 GMS의 말 치료

  1. 합성 GMS의 세 개의 분리 된 300 mg의 부분을 달아 유리 병에 보관. 이러한 배치 (1), 대조군으로 배치 2 및 배치 3. 보관할 배치 (1)로 표시하고, 열 처리로에 배치 2 및 배치 (3)를 배치됩니다.
  2. 400 ° C에서 처리를 위해 다음과 같이 노 프로그램 : 400 ° C 내지 25 ° C에서 램프를 0.5 시간으로는, 4 시간 동안 400 ℃에서 유지 시료 도어로 남아 있도록이 온도로 떨어질 때까지 폐쇄 40 ° C 이하. 도가니에 배치 (2)를 넣고 프로그램을 시작합니다.
  3. 650 ° C에서 처리를 위해 다음과 같이 노 프로그램 : 도어가 닫힌 온도 아래로 떨어질 때까지 650 ° C 내지 25 ° C에서 램프를 0.75 시간에, 4 시간 동안 650 ℃에서 유지가 샘플로 남아 있도록 40 ° C. 도가니에 배치 3을 넣고 프로그램을 시작합니다.

4. 특성화GMS 재료 (21, 22)의

  1. 60 분 동안 90 ° C와 480 분 후 350 ℃ : 물리적 흡착 악기, 드가는 다음과 같은 프로그램에 자료를 GMS. 물리적 흡착 데이터를 획득하기 위해 탈기 재료 풀 - 등온선 분석을 실행.
  2. 200 메쉬 구멍 투성이 탄소 TEM 그리드 GMS 시료를 분산하고, 투과형 전자 현미경으로 시료를 관찰한다. 자료를 보호하기 위해 44,000X에서 배율을 제한합니다.
  3. 구리 Kα 방사선 (λ = 1.5418 Å)와 실행 XRD. 설정 45 kV로의 튜브 전압 및 40mA의 관전류. 0.008 °의 단계 크기 및 각 단계에서 5 초의 측정 시간으로 2θ ° 범위에서 10 ° 내지 90 세기를 수집.

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Representative Results

이 방법은 암 (HCC4017) 폐 세포 대 정상 (HBEC30KT)에서 헴 합성 수준을 비교하기 위해 사용되었다.이 정상 폐 세포 (HBEC30KT)보다 암세포 (HCC4017)에서 헴 합성의 더 높은 수준을 보여준다. 헴 합성의 레벨은 미토콘드리아 uncoupler 보닐 시안화 -3- chlorophenylhydrazone (CCCP)의 존재 하에서 정상 및 암 세포에서 측정 하였다. 세포는 헴 합성 수준을 측정하기 전에 24 시간 동안 10 μM의 CCCP 처리 하였다. 예상대로, 헴 합성의 레벨 (도 2)은 정상 및 암 세포 모두에서 CCCP의 존재 하에서 감소 하였다. 또, 헴 합성 숙시 닐 아세톤 (SA)에 의해 억제 될 수 있음을 이전에 5- 아미노 레 불린 산 탈수 헴 생체 내의 제 효소 (ALAD)의 강력하고 특이 억제제가 밝혀졌다. GMS 합성 물질은 투과 전자 현미경 (TEM), X 선 회절 (XRD) 및 질소를 나타내었다물리적 흡착.

도 1 (배치 1 GMS)에 도시 된 바와 같이, TEM 이미지로부터 메조 포러스 실리카의 구조를 보여준다. 실리카 매트릭스 안정된 벽 잘 정의 된 길이의 채널을 형성. TEM에서 세공 직경은 메조 포러스 실리카에 대한 전형적인 형상으로 약 5 nm 내지 육각형 인 것으로 확인되었다. TEM 이미지로부터 입증되는 금 나노 입자의 고정화는, 합성 과정에서 달성되었다 명시 표면 또는 메조 포러스 채널에 배분 된 금 입자는 금 입자가 성공적으로 메조 포러스 실리카 매트릭스의 벽에 인터했음을 알리는 없었다.

상기 금 입자가 실리카 매트릭스의 벽에 인터 여부를 설정하기 위해, 질소 물리 흡착을 사용 하였다.도 2a는 금 인터없이 실리카 매트릭스 BET 물리 흡착 등온선이다,도 2b에 인터 골드 GMS위한벽 (배치 1). 도면으로부터 알 수있는 바와 같이, 두 물질들 사이에 유의적인 차이가 없었다. 둘은 히스테리시스와 메조 포러스 재료의 전형적인 형상을 나타내었다. 이것은 상기 금 인터는 XRD 및 TEM와 함께 세공 구조 (기공 크기, 모양 또는 부피)에 어떤 교대을 부과하지 않았다 나타내는 강하게 금 것을 유추 (금을 나타내는 4 개의 나노 입자의 형태이다) 입자는 실리카 매트릭스의 벽에있다.

촉매로서 유망 금 나노 입자는 고온에서 소결 및 활성의 손실을 겪는다. 이 방법으로 합성 GMS 재료는 가열 후에 관찰, 응집물이없는 열 안정성을 나타낸다. 여러 고온에서 처리 GMS 물질은 물리적 흡착에 의해 특성화되었다.도 3a 및도 3b는 서로 다른 온도에서 하소 GMS 재의 BET 공극 구조 및 BJH 공극 분포이다. 으로도면에 나타낸 고온 하소는 메조 포러스 실리카 매트릭스를 변경하지 않았다. 또한, 두 공극 구조 및 기공 분포는 650 ℃ (즉, 금 모으고 블록 기공 않았다)만큼 높은 온도 처리 후의 동일한 남았다.

GMS에서 금의 열 안정성 상기 XRD에 의해 확인되었다. (4)가 다른 온도에서 하소 GMS 물질의 XRD 패턴 인도. 두 봉우리는 금 (110)과 금 (111)에 해당. 피크 위치, 피크 강도 및 피크 폭 (응집 입경 모든 지표) 금 입자의 크기 나 형태에 변경되지 않았 음을 나타내는 때문에 소성 공정에 어떤 변화도 보이지 않았다. 높은 안정성은 가혹한 조건에서 촉매 반응에 매우 유망하다.

벤치 마크로서 벤즈알데히드 벤질 알콜의 산화를 이용하여, GMS의 촉매 특성을 조사 하였다. 100 ° C에서, GMS가 제공산화 반응에 대한 좋은 촉매로. 벤질 알코올 전화율은 44.1 %이며, 벤즈알데히드쪽으로의 선택성은 92.8 %이었다. GMS 재활용 실험은 GMS 재료로 수행되었다; 결과를 표 1에 나타낸다. 같이 테이블로부터 알 수있는, 소재 나타내 양호한 재활용 성 GMS. 재순환 실험의 각 라운드를 들어, 벤질 알코올의 전환율은 아마도 이전에 촉매의 작은 손실이 약간 감소 하였다. 심지어 세 번째 재활용 후, 선택성은 90 % 주위 높게 남아 있었다.

그림 1
도 1 GMS 재료의 TEM 화상. 투과형 전자 현미경까지는, GMS 재료의 형태를 관찰 하였다. 메조 포러스 실리카는 GMS 재료 용 매트릭스로서 기능; 메조 포러스 실리카의 구조는 두 개의 서로 다른 방향으로 도시 하였다. TEM 이미지 명확 긴 잘 정의 도시채널과 메조 포러스 실리카의 육각 구멍. GMS 물질의 형성 동안, 메조 포러스 행렬의 기본 구조가 영향을받지되었습니다. 모공이 금 나노 입자에 의해 차단되지 않은 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
실리카 매트릭스와 GMS 재료의 그림 2. BET의 기공 구조. (A) 층간 금없이 메조 포러스 실리카 매트릭스의 BET 공극 구조. (B) GMS 재의 BET 공극 구조. 질소는 또한 물리 흡착 세공 안정성을 입증하는데 사용되었다. 전체 물리 흡착 등온선은 대조군으로 메조 포러스 실리카와 GMS 재료에 수행되었다. IUPAC에 의해 정의 된 두 메조 포러스 실리카 및 GMS 재료의 등온선은 통상적 인 메조 포러스 물질에 대한 히스테리시스 루프를 가진 등온선을 나타내었다. 목금 나노 입자의 전자 형성이 채널도 메조 포러스 행렬의 모공을 차단하지 않았다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
도 3 BET 세공 구조 (A)와 상이한, 고온에서 하소. GMS 재료 BJH 공극 분포 (B)가 질소 물리 흡착 다시 GMS 재료의 열적 안정성의 조사에 사용되었다. 재료는 400 ℃에서 처리하고, 650 ° C는 제조 된 그래프로 표시 하였다 원래 물질과 함께 측정 하였다. 다른 온도에서 소성 GMS 자료는 변경이 등온선 또는 BJH 기공 분포에서 관찰되지 않았다. 결과는 GMS 메조 포러스 재료는 매트릭스에 구조적인 변화, 고온에서 열적으로 안정한 것으로 입증되었다. <HREF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/52349/52349fig3highres.jpg"대상 = "_ 빈">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
GMS 재료도 4 XRD 패턴은 다른 온도에서 하소. X 선 회절은 금 나노 입자의 열 안정성을 보여주기 위해 사용되었다. 400 ° C와 650 ° C에서 처리 재료로서 제조 된 그래프로 표시 하였다 원래 물질과 함께 측정 하였다. 고온 소성시, 금 나노 입자의 피크 위치와 피크 높이가 금 나노 입자 구조, 단계, 또는 형태를에 변경하지 않았다 증명, 변화를 가지 않았다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1. 전환GMS과 벤질 알콜의 산화 D 선택성 세 번 재생.

벤질 알코올의 전환 (%) 벤즈알데히드의 선택도 (%)
GMS 1 일주기 44.1 92.8
GMS 2 차주기 37.2 89.6
GMS 제 3주기 35.3 90.1

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Discussion

합성 프로토콜 내에서 계면 활성제의 농도, 용액의 pH, 반응 온도에 대한 관심은 GMS의 성공적인 형성에 중요하다. 중요한 단계는 1.2, 1.3, 1.4 및 1.6이다. 위에서 언급 한 매개 변수는 계면 활성제로부터 형성된 미셀의 중요한 포장 매개 변수 및 위상을 제어 할 수 있습니다. 미셀의 위상 및 형태는 GMS위한 골격의 역할을 실리카 매트릭스의 최종 상태를 판정한다. 또한 형성 공정에 중요한 서열 및 HAuCl 용액을 추가 시간이다. TEOS와 TESPTS 각각 실리카 원 및 표면 개질제로서 작용한다. 두 화학 물질을 추가하는 것은 처음 미셀 상 실리카의 적절한 중합을 보장하고 상기 금 나노 클러스터를 형성하기 위해 금 원자를 유인 실리카 벽으로 유황 결합을 포함한다. 적절한 순서 및시기는 금 입자 대신의 표면 상에 분산 된 실리카 매트릭스의 벽에 인터 보장한다.

이 방법 GMS의 합성 메조 포러스 실리카 지지체에 금 입자를 고정화 새로운 패러다임을 제공한다. GMS는 좋은 열 안정성, 높은 촉매 활성과 좋은 재활용을 나타내고,이 물질은 일괄 생산 및 산업용 촉매 공정에 응용 프로그램에서 매우 유망하다. 금의 성공적인 인터 유사한 프로토콜에 따라 다른 촉매 활성 금속의 층간의 가능성 개념 연구의 증거입니다. 수정은 AgMS, PTMS 및 PDMS를 합성이 프로토콜을 만들 수 있습니다. 변형 과정은 단순히 단계 1.3에 기재된 바와 같이 금속 염을 변경하여 조정할 수있다. (Ag), 백금 (Pt) 또는 팔라듐 염을 대응 염화 금산을 교체합니다. 변형은 또한보고 된 절차에 따라 금 나노 입자의 크기를 변경하고 인터 절차 (23)에 따라 제조 될 수있다. 이러한 합성 방법의 추가 확장은 인터 패싯 - 제어 금속으로 만들어 질 수있다입자, 금속 산화물, 나노 금속 합금.

이 합성 프로토콜은 실험 매개 변수의 정확한 컨트롤이 필요합니다. 단계 1.2 및 1.3에 열거 된 실패의 경우에서, 문제는 용액의 농도에 집중 될 수있다. 조심스럽게 온도를 모니터링하면 단계 1.4 및 1.6과 관련된 특정 감도 중요하다. 우리는 용액의 온도에서 0.5 ° C의 변화가 실패한 제조 초래할 수 있음을 발견했다.

연구 노력이 수년간 강력한 촉매를 만들기 위해 금 입자의 안정성 문제를 해결하는 지시되었다. 이러한 초기 습윤 및 직접 침전 등의 금 나노 입자를 제조하는 기존의 방법과 비교하여,이 방법은 GMS 따라서 내구성 높은 수준을 달성하는, 실리카 벽 프레임 워크에서 금 나노 입자를 안정화시킬 수 있도록한다. 프로에 기재된 견고성은 열 안정성 실험에 의해 확인되었다시저 3.

반응 벤치 마크로서 벤질 알콜의 산화를 이용하여, GMS 물질 활성 및 재활용이 입증된다. 유사한 물질 (GMS, PTMS, PDMS, 등)의 적용은 녹색과 지속 가능한 미래를 제공에 대한 새로운 접근 방식을 제공, 이러한 열분해, 물 분해, 폐기물 처리 등의 촉매 공정을 확장 할 수 있습니다.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) Aldrich 435465-250ML
tetraethoxysilane TCI 201-083-8
bis[3-(triethoxysilyl)propyl]-tetrasulfide GELEST SIB1825.0-100GM
chloroauric acid Aldrich 520918-1G
benzyl alcohol Sigma-Aldrich 305197-1L
nitrogen physisorption Micromeritics Tristar II
X-ray diffraction Philips X'Pert Pro
transmission electron microscopy Philips CM200
gas chromatography Shimadzu GC-2010

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References

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