張宇航,孫艷娟,徐瑾,楊梅,張歡歡,劉憶,吳生麗,鄒菁
武漢工程大學化學與環境工程學院,湖北 武漢 430205
超薄類石墨相氮化碳納米片剝離技術的研究進展
張宇航,孫艷娟,徐瑾,楊梅,張歡歡,劉憶,吳生麗,鄒菁*
武漢工程大學化學與環境工程學院,湖北 武漢 430205
超薄二維(2D)納米材料,因其優異的電子、光學、物理和化學性能,以及各種潛在應用,在納米技術、材料科學、化學和凝聚態物理等領域迅速發展.類石墨相氮化碳(g-C3N4)是一類主要由碳和氮原子組成的2D聚合物材料,但塊狀g-C3N4比表面積小、分散性差嚴重影響其在光催化領域的應用.因此,人們常采用剝離方法制備超薄g-C3N4納米片.本文主要詳述了目前常用的熱氧化剝離、超聲輔助液相剝離和酸堿化學剝離等方法的現狀及機理,并討論了超薄g-C3N4納米片未來的重點研究方向.
類石墨相氮化碳;超薄納米片;剝離;制備
18世紀后半葉開啟的工業革命給人類社會帶來巨大便利的同時,也因為化石能源的大量使用造成了能源短缺和環境污染等多方面的問題,給人類社會的可持續發展帶來了巨大的挑戰.然而傳統的處理方法,如垃圾焚燒、掩埋、碳吸附、空氣分離等污染處理措施,并沒有從根本上解決污染問題,甚至還可能造成二次污染.20世紀70年代逐步發展起來的光催化技術,因為具有可直接利用太陽光降解空氣和水中的有機物,以及將低密度的太陽能轉化為高密度的化學能的特點,使其在新能源開發和污染治理方面成為研究的熱點.然而傳統的光催化劑TiO2光生電子與空穴復合嚴重,僅能吸收紫外光(紫外光在太陽光中的比例不足5%),從而不能有效的利用太陽光[1-2].伯克利大學的Liu和Cohen教授[3]在1989年從理論上提出了C3N4材料,Teter和Hemley教授在1996年通過計算提出,C3N4可能具有5種結構:α-C3N4、β-C3N4、cubic-C3N4、pseudocubic C3N4和類石墨相C3N4(graphite-C3N4,g-C3N4),其帶隙分別為5.49 eV、4.85 eV、4.30 eV、4.13 eV和2.7 eV[4].其中g-C3N4結構中的C、N原子以sp2雜化形成高度離域的π共軛體系,很容易通過表面工程使其結構和組成不發生明顯改變,而在分子水平上對g-C3N4進行表面化學活性調制.在五個相中g-C3N4具有最低的帶隙,與TiO2相比,g-C3N4(Eg=2.7 eV)具有中等能帶間隙,可吸收太陽光譜中波長小于450 nm的藍紫光,其HOMO和LUMO分別位于+1.4 V和-1.3 V(vs NHE,pH=7)[5],滿足光解水產氫、產氧的熱力學要求.此外,g-C3N4還具有無毒、熱化學穩定性高、豐富的前體材料等優點[6],被認為是一種有希望在能源和治理環境污染方面將得到廣泛應用的無金屬半導體光催化劑.
目前,g-C3N4常用的制備方法主要有氣相沉積法[7]、高溫高壓法[8]、溶劑熱法[9]和電化學沉積法[10]等,近年來熱聚法(直接加熱單氰胺、二聚氰胺和三聚氰胺等有機物前驅體來制備氮化碳晶體[11])備受關注,它可以通過控制反應條件得到具有不同縮聚度和含氮量的g-C3N4,而且操作簡便,易于摻雜和改性.但普通熱聚法制備的塊狀g-C3N4(bulk graphite-C3N4,bulk g-C3N4),由于層的堆疊而具有較小的比表面積(10 m2·g-1)、光生電子-空穴易復合、可見光利用率低的缺陷.自2004年發現機械剝離石墨烯以來,超薄2D納米材料因其優異的物理、化學、電子和光學性能以及各種潛在應用,在凝聚態物理、材料科學、化學和納米技術等領域發展迅速.因此,為了改進g-C3N4的表面光學和電子結構,提高其比表面積和光電催化性能,有必要剝離g-C3N4至幾層甚至單層.目前,g-C3N4剝離常用方法包括超聲輔助液相剝離法、熱剝離方法、酸或堿溶液剝離法以及熱和超聲聯用等方法.本文對目前g-C3N4的主要剝離方法進行介紹.
在材料工程和化學領域,超聲一直是非常有用的分散工具.超聲作用于液體時,液體內部因為局部出現拉應力而形成負壓,壓強降低使溶于液體的氣體過飽和,從而以小氣泡的氣體形式逸出;或者由于空化作用,拉應力把液體“撕開”,內部填充液體蒸氣,甚至可能是真空,因空化作用形成的小氣泡可能會隨著液體的振動突然破滅.氣體破滅可形成瞬間高溫、高壓,同時產生激波,會不斷沖擊塊狀物使其剝離[12-13].在塊狀g-C3N4層間內,C原子和N原子之間以共價鍵連接,g-C3N4層間存在較弱的范德華力[14],超聲波傳輸的聲能可以克服層間的范德華力,通過適當的溶劑液體有效地剝離g-C3N4,從而獲得超薄的g-C3N4納米片.超聲輔助液體剝離方法操作簡便,目前已經成為研究人員廣泛采用的剝離技術.該方法中溶劑的選擇非常重要,既要對g-C3N4有良好的剝離效果,又要防止g-C3N4納米片的團聚.溶劑的選擇可根據Hansen熱解參數理論[15],考慮溶劑的分散性、極性、氫鍵結合力,使層狀材料的剝離能最低[16],借助超聲波的空化作用削弱范德華力從而實現g-C3N4層狀材料的剝離.目前剝離溶劑主要采用極性有機溶劑、混合溶劑和水.
1.1 有機溶劑
Zhao等[17]用甲醇做分散劑,將100 mg塊狀g-C3N4與100 mL甲醇混合的懸浮液于室溫下超聲4 h,發現g-C3N4納米片的厚度由約3 nm減小到0.4 nm~0.5 nm.對于單層g-C3N4(single layer graphite-C3N4,SL-g-C3N4),光生電荷的壽命為0.25(τ1)~6.11(τ2)ns,其中壽命最長的光生電子含量為14.9%,存活時間分別為多層g-C3N4(graphite-C3N4nanosheets,NS-g-C3N4)和bulk-g-C3N4的1.3倍和1.8倍.計算平均壽命值(壽命長短乘以百分含量之和)發現,SL-g-C3N4中光生電荷的平均壽命為1.12 ns,分別是NS-g-C3N4和bulk-g-C3N4的1.6和3.6倍(見表1),顯然,長壽命光生電荷有利于SL-g-C3N4與靶分子反應.在可見光催化降解羅丹明B(Rhodamine B,RhB)的實驗中,SL-g-C3N4納米片對RhB的降解速率分別是NS-g-C3N4和bulk-g-C3N4的3.0和10.2倍.

表1 bulk-g-C3N4、NS-g-C3N4和SL-g-C3N4光生電荷壽命Tab.1Photogenerated charge lifetimes of bulk-g-C3N4,NS-g-C3N4and SL-g-C3N4
Yang等[18]分別采用異丙醇、丙酮、乙醇等有機介質作為分散劑來剝離塊狀g-C3N4,剝離效果最佳的溶劑是沸點較低的異丙醇溶液,得到了2 nm厚的g-C3N4納米片,其比表面積達到了384 mg·mL-1. She等[19]使用1,3-丁二醇做分散劑,將60 mg塊狀g-C3N4與25 mL的1,3-丁二醇混合,于室溫下超聲24 h,然后將混合液于10 000 r/min下離心5 min,分離未剝離的塊狀g-C3N4與已剝離的g-C3N4納米片,最后將所得到的懸浮液倒入100 mL表面皿中,于140℃下干燥10 h,得到0.9 nm~2.1 nm厚的g-C3N4納米片.在400 nm可見光輻照下,光催化降解亞甲基藍(methylene blue,MB)溶液25 min后,塊狀g-C3N4和g-C3N4納米片對MB的降解率分別為64.83%和94.87%,超聲剝離后g-C3N4納米片對MB的降解速率是塊狀g-C3N4的3.1倍.
采用超聲波輔助有機溶劑和熱剝離的聯用,可制備0.5 nm原子層厚度g-C3N4納米片[20].由三聚氰胺制備的g-C3N4在550℃下進一步熱剝離3 h,獲得厚度約為2.5 nm的g-C3N4納米片,隨后將制備的納米片的分散在異丙醇中超聲8 h,進一步剝離可得到原子層厚度的超薄g-C3N4納米片.
1.2 混合溶劑
Lin等[21]用乙醇/水、異丙醇/水和二甲基甲酰氨/水混合溶劑做分散劑,將塊狀g-C3N4剝離成質量濃度為0.1 mg·mL-1~3 mg·mL-1的SL-g-C3N4納米片懸浮液,其比表面積為59.4 m2·g-1,是塊狀g-C3N4(12.5 m2·g-1)的5倍.研究還發現當使用乙醇/水混合溶劑時,減少乙醇的量,懸浮液的質量濃度會增加,當乙醇的體積分數為25%時,可得到3 mg·mL-1的乳白色SL-g-C3N4納米片懸浮液(圖1),而在純水中g-C3N4懸浮液質量濃度為0.5 mg·mL-1,純有機溶劑中質量濃度為0.2 mg·mL-1,純溶劑中得到的g-C3N4懸浮液濃度非常低,因此,乙醇和水的混合溶劑有助于形成穩定的高濃度的SL-g-C3N4納米片懸浮液.

圖1 混合溶劑剝離的乳白色單層g-C3N4納米片懸浮液[21]Fig.1Milky suspension of SL-g-C3N4nanosheets exfoliated by mixed solvents[21]
1.3 水
有機溶劑可能造成環境污染而且價格昂貴,那么是否僅使用綠色溶劑水便可以剝離得到g-C3N4超薄納米片呢?Zhang等[22]將塊狀g-C3N4在水中超聲后,剝離得到大約2.5 nm厚(約7個C-N層的高度),尺寸約為70 nm~160 nm的g-C3N4納米片(圖2).

圖2 (a)超薄g-C3N4納米片的TEM圖,(a)中的插圖是分散在水中的超薄g-C3N4納米片的丁達爾效應圖;(b)g-C3N4納米片的大小分布圖;(c)所制備的g-C3N4納米片AFM圖;(d)隨機兩個納米片的高度[22]Fig.2(a)TEM image of the ultrathin g-C3N4nanosheets(inset is the Tyndall effect of the ultrathin g-C3N4nanosheets dispersed in water);(b)Size distribution of as-prepared g-C3N4nanosheets;(c)AFM image of the synthetic g-C3N4nanosheets;(d)The corresponding height image of two random nanosheets[22]

采用液相剝離法制備超薄g-C3N4納米片,存在操作繁瑣、制備周期長、成本高等缺點.因此這種方法不適用于規模化生產超薄g-C3N4納米片,僅適用于實驗室合成.
熱剝離是通過加熱使g-C3N4塊狀材料膨脹,熱氣體插入層間削弱范德華力來實現的.此方法無需溶劑和固液分離,成本低,是規模化制備超薄g-C3N4納米片的潛在方法.熱剝離可選擇在不同氣氛下進行,目前主要是在空氣、N2、H2和NH3氣氛下進行熱剝離.
2.1 空氣氣氛
Gu等[24]采用熱聚法,通過控制合成溫度制備了不同比表面積的g-C3N4.發現隨著合成溫度的提高,g-C3N4的微觀結構由塊狀向納米片變化,比表面積從500℃的41.5 m2·g-1顯著增加到540℃的210.1 m2·g-1.但在520℃溫度下合成了氮化碳納米管,表明g-C3N4納米片在高溫條件下會發生熱氧化剝離并發生一定卷曲,實現一維納米管的生長,這極大提高了g-C3N4的比表面積.隨著合成溫度從470℃增大到540℃,g-C3N4的光學和光催化性質發生了明顯的變化,g-C3N4的能帶從2.79 eV增大到2.93 eV,熒光紅移;在可見光照射15%三乙醇胺溶液中,520℃制備的g-C3N4產H2速率是合成溫度為470℃制備g-C3N4的24倍.Niu等[25]通過熱氧化剝離的方法,將塊狀g-C3N4于500℃下煅燒90 min后得到了厚度為2 nm,比表面積為306 m2·g-1的2D g-C3N4納米片,產品體積比較結果如圖3所示.隨著煅燒時間的延長,g-C3N4的質量會逐漸減少,在煅燒2 h后只剩下6%左右,g-C3N4的納米片的厚度會越來越薄,層間距離變小,是因為在空氣氣氛下隨著加熱時間延長,g-C3N4會被熱氧化成氣體,導致g-C3N4重新堆積,從而使層間距離變小.

圖3 50mg bulk-g-C3N4和g-C3N4納米片粉末體積比較[25]Fig.3Volume comparison of 50 mg powder of bulk-g-C3N4and g-C3N4nanosheets[25]
2.2 H2和N2氣氛
H2的熱處理可以將晶格N還原成NH3從而產生氮空位.N空位將使價帶VB能量移動到更負值,而H取代導致降低導帶CB能量到更正值[26],因此,帶隙將變小,可見光吸收增強,如Tay等[27]報告了關于具有氮空位g-C3N4的研究,在550℃下通過H2處理g-C3N4的帶隙從2.7 eV降低到2.0 eV.
Qiu等[28]在H2氣氛中熱剝離塊狀g-C3N4,將30 mg塊狀g-C3N4放于陶瓷坩鍋中,在40 mL·min-1的H2流速下,以3℃/min的升溫速率于400℃煅燒4 h得到2 nm厚度的超薄納米片.根據XRD、XPS、CP-NMR和元素分析的結果,提出了g-C3N4超薄納米片的形成機理,即在400℃的H2氣氛中,通過打斷g-C3N4層間的氫鍵和范德華力,從而導致g-C3N4層的分離.同時,一些N形態(主要是-NH2和-NH)通過反應消失了,而生成具有孤對電子的C原子,這些C原子通過與H2反應形成C-H鍵,替代了具有孤對電子的原子產生的C-C鍵,從而阻止了g-C3N4納米片的再堆疊,其機理示意圖如圖4所示.

圖4 超薄g-C3N4納米片的形成機理示意圖[28]Fig.4Schematic diagram of formation mechanism of ultrathin g-C3N4nanosheets[28]
通過N2吸附-解吸附實驗,發現g-C3N4超薄納米片的比表面積為260 m2·g-1,是塊狀g-C3N4比表面積(27 m2·g-1)的10倍.另外在空氣和N2氣氛中剝離塊狀g-C3N4,但沒有在H2氣氛下剝離的效果好,在N2和空氣氣氛中剝離的g-C3N4的比表面積均為38 m2·g-1.這是因為H2分子較小,有利于在g-C3N4堆積層之間更好地擴散.在光催化降解MB中,發現塊狀g-C3N4對MB的降解率僅為18%,而經H2剝離的g-C3N4納米片的降解率則達到了59%.
2.3 NH3氣氛
Lu等[29]通過使用氯化銨固體粉末產生NH3,在NH3氣氛中熱剝離塊狀g-C3N4.此方法剝離成功的關鍵是氯化銨與雙氰胺完全混合.首先將1 g雙氰胺與5 g氯化銨溶于80 mL蒸餾水中,于100℃下蒸干水分,最后將混合物于550℃煅燒4 h,最后得到比表面積為52.9 m2·g-1的2D g-C3N4納米片,是塊狀g-C3N4(2.9 m2·g-1)的19倍.因為氯化銨和雙氰胺混合均勻,在高溫下,氯化銨分解產生NH3流沖擊雙氰胺熱聚合生成的g-C3N4,促進超薄g-C3N4納米片的生成(見圖5).在420 nm可見光輻照10%三乙醇胺水溶液中,超薄g-C3N4納米片分解水產H2的速率是塊狀g-C3N4的13倍,且催化劑的穩定性較高.

圖5 塊狀和超薄g-C3N4納米片合成過程示意圖[29]Fig.5Schematic illustration of synthesis process of bulk and ultrathin nanosheets of g-C3N4[29]
Xu等[30]將50 mg塊狀g-C3N4與150 mg氯化銨于水中混合,磁力攪拌器攪拌30 min,倒入25 mL的反應釜中,在180℃下反應12 h,此時大量氯化銨插入塊狀g-C3N4層間,最后將混合物在N2條件下于350℃煅燒2 h,利用氯化銨在層間產生NH3剝離得到厚度為2 nm~3 nm、比表面積為30.1 m2·g-1的納米片,機理示意圖如圖6所示,該法產率高,可大量生產.
Liang等[31]通過在NH3下熱處理塊狀g-C3N4,減少層間的范德華力,獲得了多孔、邊界具有大量碳空位和較高比表面積(196 m2·g-1)的超薄g-C3N4納米片,光致電子-空穴對的轉移和擴散速率顯著提高.

圖6 熱剝離g-C3N4夾層化合物示意圖[30]Fig.6Schematic representation of thermal exfoliation of the g-C3N4-based intercalation compound[30]
熱剝離法雖無需溶劑和固液分離,成本低,但也存在著一定的不足之處,如g-C3N4納米片結晶度不高、尺寸小、無法同時滿足超薄納米片的層數可控、尺寸大、結晶度好等要求,離實際的工業化還有一定的差距.
在堿剝離中堿的強度是影響g-C3N4剝離效果的關鍵因素.強堿有利于塊狀g-C3N4剝離成超薄納米片.
Sano[32]將1 g塊狀g-C3N4與90 mL 0.1 mol/L的NaOH混合后,倒入100 mL反應釜中,并在磁力攪拌器下于25℃~150℃下反應18 h,得到泡沫狀結構的g-C3N4,測量其層間距離在0.34 nm~0.37 nm之間.隨著溫度的升高,g-C3N4的尺寸減小,在90℃反應條件下得到g-C3N4片大小為1 μm~3 μm,比表面積可達到50 m2·g-1~65 m2·g-1.但由于堿性熱液會部分分解g-C3N4,隨著溫度的升高g-C3N4回收率將降低.通過XRD圖分析發現,經堿剝離后的g-C3N4的衍射角最強峰靠近低角度側的衍射強度降低,峰變得尖銳,證明g-C3N4結構中包含有不穩定的無規則的C3N4結構,g-C3N4周期性共軛芳香系統的結構被破壞.在可見光(λ>380 nm)輻照下,光催化NO氧化成NO3,發現經堿剝離的g-C3N4反應速率是未剝離g-C3N4的8.4倍.
Zhang[33]將100 mg塊狀g-C3N4與30 mL濃氨水混合后,倒入45 mL反應釜中,在180℃下反應12 h,所得產物水洗后再在水中超聲6 h,得到了尺寸小于30 nm的納米片.
酸剝離主要利用酸的強氧化能力,削弱g-C3N4層間弱的范德華力,使層與層分離成超薄納米片.如Xu[34]將塊狀g-C3N4與硝酸混合攪拌24 h,再把所得白色懸浮液加熱至透明后冷卻至室溫,最后用蒸餾水將溶液洗至中性,在60℃下干燥后得到寬度小于100 nm,長度在200 nm~400 nm之間的納米棒狀g-C3N4.白色懸濁液在加熱后變至透明,冷卻后變成白色,表明g-C3N4微觀結構可在硝酸溶液中再生長.通過BET表征,發現經過硝酸處理后的g-C3N4,其比表面積由塊狀g-C3N4的5.85 m2·g-1增大到37.90 m2·g-1,測量ζ電位發現其電位由-33.3 mV變成了40.0 mV.將產物在高溫下煅燒,發現比表面積減小和ζ電位降低,表明可以通過高溫煅燒來調節其電性質.在λ大于400 nm可見光照射下,光催化降解甲基橙(methy orange,MO)中,發現硝酸剝離后g-C3N4由于能帶間隙太大(3.31 eV),以至于不能很好利用可見光,其光催化效果不理想,但經過高溫煅燒后的g-C3N4其帶隙減小,更適合于MO的降解,降解效果明顯提高.在進一步的光催化實驗中,在加入MB后,經硝酸剝離后g-C3N4對MO降解率達到了75.8%,說明MB促進了g-C3N4對MO的降解作用,這一發現對C3N4在治理復雜環境污染物方面的應用有著重要的意義.
Chen[35]將1 g塊狀g-C3N4研磨成粉末后與100 mL 5 mol/L的HNO3混合后回流24 h,產物用雙重蒸餾水洗滌至上層清液pH=7,最后將溶液在60℃下用旋轉蒸發器減壓蒸餾得到乳白色g-C3N4納米片懸浮液,干燥后得到厚5 nm~35 nm,40 nm~220 nm尺寸范圍的g-C3N4納米片.發現其有良好的熒光性質,在365 nm紫外光的激發下發射出強烈的435 nm的熒光.
由于濃硫酸具有很強的氧化能力和放熱效果,可以削弱g-C3N4層之間的相互作用力,可將塊狀g-C3N4剝離成單層的納米片.Cheng等[36]將塊狀g-C3N4加入硫酸中超聲輔助剝離,在超聲結束后g-C3N4立刻凝聚,通過蒸餾水洗滌后,得到g-C3N4納米片.他們發現洗滌次數和溶液的pH將影響g-C3N4膠體溶液的穩定性.隨著洗滌次數的增加,g-C3N4納米片溶液變得穩定,在水洗5次后得到穩定的g-C3N4納米片膠體溶液,該膠體溶液可在常溫下保存幾個月.在pH=4的硫酸溶液中得到g-C3N4膠體,用鹽酸調節pH至2~3時,膠體溶液更穩定,但用氨水調節pH至6~8時,不能得到穩定的膠體溶液.他們認為g-C3N4類似于蛋白質,在酸性介質中帶有正電荷,在堿性介質中帶負電荷,顯示兩性性質.利用這種方法可以通過改變溶液的pH值,合成g-C3N4的電子異質結構.
酸堿剝離法仍存在實驗可控性差,制備所得的g-C3N4超薄納米片層分散性不好、產率低等關鍵問題尚未解決.
總而言之,通過剝離獲得的超薄g-C3N4納米片具有優異的電子和光學性能、高比表面積,在傳感、催化和儲能等領域將有重要的應用.因此,目前常采用超聲輔助液相剝離法、熱剝離方法、酸或堿溶液剝離法,以及熱和超聲聯用等方法對g-C3N4進行剝離.其中超聲輔助液相剝離和酸(堿)溶液剝離等液相剝離方法所獲得的超薄g-C3N4納米片,因操作繁瑣,可控性差,產率低,使其進一步的實際應用將受到限制.而熱剝離方法因無需溶劑和固液分離,成本低等優點,是具備規模化制備g-C3N4超薄納米片的潛在方法,但是也存在著一定的不足之處,如無法同時滿足超薄納米片的層數可控、尺寸大、結晶度好等要求,與規模化制備還有一定的差距,因此可控、高產率超薄g-C3N4納米片的規模化剝離方法,且可制備高濃度的超薄g-C3N4納米片穩定的懸浮液,仍然是今后研究的重點.
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本文編輯:苗變
Research Progress in Exfoliation Technology of Ultrathin Graphite Carbon NitrideNanosheets
ZHANG Yuhang,SUN Yanjuan,XU Jin,YANG Mei,ZHANG Huanhuan,LIU Yi,WU Shengli,ZOU Jing*
School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China
Research on ultrathin two-dimensional(2D)nanomaterials has made great progress in the fields of nanotechnolog,material science,chemistry and condensed matter physics due to their compelling electronic,optical,physical and chemical properties,as well as their various potential applications.Graphite carbon nitride(g-C3N4)is a type of 2D polymeric materials mainly composed of carbon and nitrogen atoms.But bulk g-C3N4possesses small specific surface area and the poor dispersity,which seriously affects its application in the field of photocatalysis.Therefore,the researchers fabricate the ultrathin g-C3N4nanosheets by the exfolication method. The existing state and affairs and mechanism of thermal oxidation exfoliation method,ultrasonic auxiliary liquid exfoliation method,chemical exfoliation method with acid andalkali are reviewed.The future perspective for developing the ultrathin g-C3N4nanosheets is discussed.
graphite carbon nitride;ultrathin nanosheets;exfoliation;preparation
TQ050.4+2
A
10.3969/j.issn.1674?2869.2017.03.004
1674-2869(2017)03-0223-08
2017-03-21
國家自然科學基金(21471122);武漢工程大學第十一期大學生校長基金(2016062)
張宇航,本科生.E-mail:1546152275@qq.com
*通訊作者:鄒菁,博士,教授,博士研究生導師.E-mail:jingzou@wit.edu.cn
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