《氢与氢能》第二版在第一版的基础上，删除了一些陈旧的内容，也对一些章节进行了简化，增加了近10年来氢能研究和产业的新发展。本书分21章，围绕着氢能的基础知识，氢气的制备、纯化、储存、输运、应用、安全等关键环节，从5个部分进行了介绍，并从经济的角度进行了分析。第一部分是氢和氢能源的重要性以及氢的基本性质，包括第1、2章；第二部分是氢气的制备和储存，包括灰氢和绿氢的制备、氢气分离和提纯、气液固不同状态的储氢（分子储氢和原子或离子态储氢），由第3～11章组成；第三部分是氢气输运和供给，包括气体钢瓶、液态氢气以及管道的氢气输送，加氢站的建设、种类和主要设施，由第14，16，17章组成；第四部分是氢能的应用，包括最受关注的镍氢电池、燃料电池、储氢装置、氢内燃机动力车、氢燃料电池动力车、氢冶金等材料领域的应用，电网移峰填谷等，由第12，13，15，18～20章组成；第五部分是氢气的安全问题，在第21章介绍。
样章试读
目录
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第1章 氢能特征与氢经济 1
1.1 氢与氢能 1
1.1.1 氢的基本特性 1
1.1.2 氢气的能量 2
1.1.3 与液态燃料的比较 6
1.1.4 氢能与环境 7
1.1.5 灰氢、青氢、蓝氢和绿氢 9
1.1.6 氢能源市场 10
1.1.7 氢能源路线图 13
1.2 各国能源消耗及特点 15
1.2.1 能源需求增长 15
1.2.2 能源消耗结构 15
1.2.3 我国的能源消耗特点和问题 17
1.3 氢能的特点和利用形式 20
1.3.1 能源发展趋势 20
1.3.2 氢能的四大特点 22
1.4 氢气的供给 24
1.4.1 氢气的生产 24
1.4.2 各种制氢方法和成本 26
1.4.3 氢源选择的“四要素” 28
1.4.4 氢与电的相关性 29
1.5 氢能的利用形式 30
1.5.1 氢气的传统用途 30
1.5.2 氢能源利用形式和体系 31
1.5.3 现在氢能应用开发动态和主要的问题 34
1.6 可再生能源与氢能源 38
1.6.1 可再生能源及其制氢 38
1.6.2 生物质能 40
1.7 氢能源社会的发展与各国的动态 42
1.7.1 美国和加拿大氢能源经济的发展动态 43
1.7.2 欧洲氢能源经济的发展动态 46
1.7.3 日本氢能源经济的发展动态 46
1.7.4 澳大利亚氢能开发 49
1.7.5 韩国氢能源开发 51
1.7.6 我国氢能源开发和利用 51
参考文献 53
第2章 氢的基本性质 55
2.1 氢的形成、存在和发现 55
2.2 氢原子 56
2.3 氢的同位素 57
2.4 氢气 58
2.4.1 H2的分子结构 58
2.4.2 氢气的核自旋异构体 59
2.4.3 氢气的物理性质 60
2.4.4 液态和固态氢 63
2.4.5 金属氢 64
2.5 氢的核聚变反应 65
2.5.1 核聚变反应的原理 65
2.5.2 人工核聚变反应 66
2.5.3 人工核聚变装置 68
2.5.4 人工核聚变工程 71
2.6 氢的化学性质 72
2.6.1 氢原子的电子结构和成键特征 72
2.6.2 氢与非金属的反应 73
2.6.3 氢与金属的反应 74
2.6.4 氢在冶金中的应用 74
2.6.5 氢与过渡金属的配位反应 74
2.6.6 氢在石油化工中的应用 75
2.7 氢化物 76
2.7.1 概述 76
2.7.2 金属氢化物 77
2.7.3 主族元素与氢的共价型化合物 78
2.7.4 配位氢化物 79
2.7.5 高压氢化物相 80
2.8 氢化物的研究方法 80
2.8.1 压力–成分等温线 80
2.8.2 热分析 82
2.8.3 核磁共振 82
2.8.4 红外光谱 83
2.8.5 中子衍射 84
参考文献 84
第3章 氢气制备 86
3.1 化石燃料制氢 88
3.1.1 煤炭制氢 89
3.1.2 天然气制氢 90
3.2 高温分解制氢 93
3.2.1 甲醇裂解制氢 93
3.2.2 工业副产氢 95
3.2.3 氨分解制氢 95
3.3 电解水制氢 99
3.3.1 电解水制氢原理 99
3.3.2 电解水制氢现状 99
3.4 核电制氢 106
3.5 生物质制氢 107
3.5.1 光合生物制氢 107
3.5.2 生物发酵制氢 111
3.6 光催化制氢 114
3.6.1 太阳能热化学制氢 115
3.6.2 太阳能光电化学制氢 115
3.6.3 光解水制氢 115
3.7 小结 123
参考文献 124
第4章 氢分离和提纯 128
4.1 变压吸附提纯氢气 129
4.1.1 变压吸附技术的基本原理 130
4.1.2 吸附床的吸附穿透曲线 132
4.1.3 变压吸附的基本操作 132
4.1.4 变压吸附的吸附剂 133
4.2 膜分离 134
4.2.1 膜分离的机理 135
4.2.2 多孔膜材料 137
4.2.3 有机高分子膜 139
4.2.4 透氢金属膜 140
4.3 Benfield法 146
4.4 深冷分离 148
4.4.1 冷凝法 148
4.4.2 膨胀机法 149
4.5 重氢的分离 149
4.5.1 氢同位素的特性 149
4.5.2 重氢的核聚变反应 150
4.5.3 重氢提纯回收 151
4.5.4 氢同位素的分离浓缩 156
参考文献 162
第5章 高压储氢 165
5.1 高压氢气的压缩 165
5.1.1 氢气的压缩因子和压缩后的密度 165
5.1.2 氢气压缩后的氢原子间距 166
5.1.3 氢气压缩机 167
5.1.4 氢气的压缩功耗 169
5.2 氢气的加注 171
5.2.1 氢气加注的方法 171
5.2.2 氢气加注过程中温度的变化 172
5.2.3 氢气加注机的市场应用 173
5.3 高压储氢容器 174
5.3.1 高压储氢容器的发展 174
5.3.2 轻质高压储氢容器的设计和制备 177
5.4 高压储氢的风险和控制 180
5.4.1 高压储氢的使用风险 180
5.4.2 高压储氢的风险评估 181
5.4.3 高压储氢使用的标准 181
5.4.4 高压储氢使用的安全检测 182
5.4.5 高压储氢的风险控制 183
5.5 高压储氢的应用 184
5.5.1 运输用大型高压氢气容器 184
5.5.2 蓄气站大型高压氢气容器 185
5.5.3 燃料电池车用高压储氢 186
5.5.4 小型高压储氢罐的应用 188
5.5.5 高压管道供氢 189
参考文献 190
第6章 液态储氢及应用 191
6.1 液态氢气的生产 191
6.2 液态氢的储存 196
6.2.1 液氢设备的绝热材料 196
6.2.2 液氢储罐 197
6.3 液氢的输运 200
6.3.1 常温容器加注液氢的冷却特性 200
6.3.2 液氢的输送方式 201
6.3.3 液氢储藏型加氢站 203
6.4 液氢的应用 205
6.4.1 液氢在航空航天领域的应用 205
6.4.2 液氢在汽车领域的应用 207
6.4.3 液氢的其他应用 209
参考文献 210
第7章 液态有机氢载体储氢 212
7.1 液态有机氢载体概述 212
7.2 小分子醇醛胺酸型液态有机氢载体 215
7.2.1 甲酸 215
7.2.2 其他小分子醇醛胺酸型液态有机氢载体 219
7.3 芳香化合物型液态有机氢载体 223
7.3.1 芳香烃 223
7.3.2 氮杂环芳香烃 227
7.3.3 硼氮杂环芳香烃 236
参考文献 237
第8章 物理吸附储氢材料 245
8.1 气体吸附原理及物理储氢的特点 245
8.1.1 吸附等温线的类型 246
8.1.2 吸附等温方程 247
8.2 碳材料的发展及储氢性能 249
8.2.1 活性炭 249
8.2.2 碳纳米管及石墨烯 249
8.2.3 生物质衍生碳材料 250
8.2.4 碳材料的开发与研究前景 251
8.3 金属有机骨架材料的储氢性能 251
8.3.1 研究现状 251
8.3.2 与氢气作用机理 253
8.3.3 储氢性能的影响因素和发展方向 254
8.4 多孔高分子的储氢性能 256
8.4.1 共价有机骨架材料 256
8.4.2 共轭微孔高分子材料 256
8.4.3 多孔高分子材料的研究前景 258
8.5 三种物理吸附材料的比较 258
8.5.1 孔道结构 258
8.5.2 吸附位点 258
8.5.3 储氢容量 259
参考文献 259
第9章 储氢合金和金属氢化物 263
9.1 储氢合金的工作原理和设计 263
9.1.1 储氢合金简介 263
9.1.2 储氢合金的历史发展及现状 263
9.1.3 储氢合金的工作原理 265
9.1.4 储氢合金的设计与评价 270
9.2 稀土储氢材料 273
9.2.1 LaNi5基AB5型储氢材料 273
9.2.2 非AB5型新型稀土储氢合金 276
9.3 Mg和MgH2基储氢材料 279
9.3.1 Mg单质储氢材料 279
9.3.2 Mg-M(M=Ni,Co,Fe等)体系储氢材料 282
9.4 Ca基储氢材料 284
9.5 Ti基合金储氢材料 288
9.5.1 Ti基二元合金体系 290
9.5.2 Ti-Cr-Mn基三元合金体系 292
9.5.3 Ti-V-Mn基三元合金体系 299
9.6 V基体心立方固溶体合金储氢材料 301
9.6.1 V-Ti-Fe合金体系 304
9.6.2 V-Ti-Ni合金体系 305
9.6.3 V-Ti-Cr合金体系 306
9.7 Zr基合金储氢材料 308
9.7.1 Zr-V基合金体系 310
9.7.2 Zr-Cr基合金体系 311
9.7.3 Zr-Mn基合金体系 311
9.8 Pd基固溶体储氢材料 311
9.9 低维材料储氢材料性能 313
9.9.1 纳米颗粒储氢理论计算 313
9.9.2 尺寸效应 314
9.9.3 薄膜材料的储氢研究 315
9.9.4 薄膜的氢致光变特性 316
9.9.5 氢致光变特性材料的应用 321
参考文献 323
第10章 无机非金属储氢材料 330
10.1 引言 330
10.2 无机非金属氢化物 331
10.2.1 基本特征 331
10.2.2 电子结构和成键特性 332
10.2.3 吸放氢反应机理 334
10.3 金属铝氢(Al-H)化物 335
10.3.1 合成方法 335
10.3.2 晶体结构 336
10.3.3 吸放氢性能 338
10.3.4 吸放氢性能改善与系统开发 342
10.4 金属氮氢(N-H)化物 345
10.4.1 合成方法 345
10.4.2 晶体结构 346
10.4.3 吸放氢性能 348
10.4.4 吸放氢性能改善与系统开发 352
10.5 金属硼氢(B-H)化物 355
10.5.1 合成方法 355
10.5.2 晶体结构 356
10.5.3 吸放氢性能 358
10.5.4 吸放氢性能改善 363
10.6 小结与展望 368
参考文献 369
第11章 其他储氢材料 381
11.1 液态无机氢载体概述 381
11.1.1 硼氢化物溶液储氢 381
11.1.2 氨硼烷溶液储氢 386
11.1.3 水合肼储氢 389
11.1.4 肼硼烷溶液储氢 390
11.1.5 离子液体型硼氢化物储氢 391
11.2 液氨储氢 392
11.2.1 液氨储氢概述 392
11.2.2 液氨的生产 392
11.2.3 液氨的储存和运输 395
11.2.4 液氨的分解产氢 396
11.2.5 液氨的应用 398
11.3 水合物储氢技术 400
11.3.1 气体水合物的晶体结构 400
11.3.2 气体水合物储氢 402
11.3.3 水合物储气量的一般计算方法 404
11.4 空心玻璃微球高压储氢技术 405
11.4.1 玻璃微球储氢原理 405
11.4.2 玻璃微球的储氢效率和存在的主要问题 405
11.5 水解反应制氢储氢技术 406
11.5.1 铝水反应制氢储氢机理 406
11.5.2 铝水反应实用化反应器及其应用展望 408
11.5.3 镁、氢化镁水解反应制氢储氢机理 409
11.5.4 镁、氢化镁水解反应促进机理 409
参考文献 410
第12章 镍氢电池 417
12.1 概述 417
12.1.1 电化学理论基础 417
12.1.2 镍氢电池的工作原理和特点 419
12.2 镍氢电池的组成 420
12.2.1 正极材料 420
12.2.2 负极材料 423
12.2.3 辅助材料 433
12.3 镍氢电池的性能 435
12.3.1 电池容量和电压 435
12.3.2 电池的内阻和内压 435
12.3.3 电池的自放电和储存性能 436
12.3.4 电池循环寿命 437
12.4 镍氢电池的开发与应用 437
12.4.1 镍氢电池的开发现状 437
12.4.2 镍氢电池的应用 438
参考文献 440
第13章 燃料电池 443
13.1 燃料电池概述 443
13.1.1 基本原理 443
13.1.2 发展简史 444
13.1.3 工作原理 444
13.2 燃料电池的基本结构 447
13.2.1 电极 447
13.2.2 电催化剂 447
13.2.3 电解质和隔膜 448
13.2.4 双极板 449
13.2.5 燃料电池系统 449
13.2.6 常用燃料电池概述 450
13.3 碱性燃料电池 453
13.3.1 概述 453
13.3.2 电极和电催化剂 454
13.3.3 电解液与隔膜 455
13.3.4 双极板 456
13.3.5 电池堆结构 457
13.4 高聚物电解质膜燃料电池 458
13.4.1 概述 458
13.4.2 聚合物质子交换膜 459
13.4.3 电极 461
13.4.4 双极板 462
13.4.5 水管理 463
13.5 直接甲醇燃料电池 464
13.5.1 概述 464
13.5.2 甲醇的催化电氧化和DMFC电极 465
13.5.3 甲醇渗漏及DMFC质子交换膜开发 467
13.6 磷酸燃料电池 469
13.6.1 概述 469
13.6.2 电极 469
13.6.3 电解质 470
13.6.4 双极板 471
13.6.5 PAFC的冷却系统 471
13.7 熔融碳酸盐燃料电池 471
13.7.1 概述 471
13.7.2 电极 473
13.7.3 电解质 473
13.8 固体氧化物燃料电池 475
13.8.1 概述 475
13.8.2 电解质 475
13.8.3 电极 477
13.8.4 双极连接材料 478
13.8.5 密封材料 479
13.8.6 SOFC的结构 480
13.8.7 管型SOFC 480
13.8.8 平板型SOFC 481
13.9 其他燃料电池 481
13.9.1 直接醇类燃料电池 482
13.9.2 直接硼氢化钠燃料电池 482
13.9.3 微生物燃料电池 483
13.10 燃料电池的应用 484
13.10.1 燃料电池车 484
13.10.2 燃料电池在分布式电站上的应用 486
13.10.3 燃料电池的其他应用 486
13.10.4 燃料电池的成本 487
13.11 燃料电池发展展望 488
参考文献 490
第14章 金属氢化物储氢装置与技术 494
14.1 金属氢化物储氢容器 495
14.1.1 金属氢化物储氢容器储氢原理与设计 495
14.1.2 储氢容器的分类及优缺点 498
14.1.3 储氢材料的填充 501
14.1.4 储氢容器的密封 502
14.1.5 几家公司的储氢罐产品及性能 502
14.1.6 储氢合金容器应用范围 506
14.2 高压及金属氢化物复合储氢容器 511
14.2.1 高压复合储氢容器的提出 511
14.2.2 复合储氢容器的4个特点 512
14.2.3 复合储氢容器用的储氢材料 515
14.3 NaAlH4及其他材料储氢罐 518
14.3.1 NaAlH4储氢性能 518
14.3.2 NaAlH4储氢罐的制备 519
14.3.3 其他材料的储氢罐 524
14.4 热传导、体积膨胀以及氢气流通 526
14.4.1 热的管理 526
14.4.2 体积膨胀问题 527
14.4.3 氢气流动问题 528
14.5 储氢罐壳体材料 529
14.6 安全检查 530
参考文献 532
第15章 氢能源汽车 535
15.1 氢内燃机汽车 535
15.1.1 氢内燃机概述 535
15.1.2 氢内燃机工作原理 535
15.1.3 氢气燃烧的特性 535
15.1.4 氢内燃机汽车结构系统 536
15.1.5 氢内燃机的热效率和输出功率 538
15.1.6 氢内燃机的技术难点和解决办法 538
15.1.7 氢混合燃料内燃机 539
15.1.8 氢内燃机汽车的发展状况 539
15.2 燃料电池汽车 544
15.2.1 燃料电池汽车概述 544
15.2.2 燃料电池汽车特点 545
15.2.3 燃料电池汽车工作原理 546
15.2.4 燃料电池汽车结构系统 547
15.2.5 燃料电池汽车与氢内燃机汽车的对比 549
15.2.6 燃料电池汽车的发展状况 550
15.3 其他氢燃料电池交通工具 566
15.4 氢动力汽车生产状况和发展趋势 568
参考文献 569
第16章 氢气的输运 571
16.1 高压气体输氢 572
16.1.1 氢气钢瓶和集装格输氢 572
16.1.2 长管拖车输氢 573
16.1.3 长管拖车输氢成本 574
16.2 氢气的管道输运 576
16.2.1 氢气管道的输氢 576
16.2.2 输氢管道材料 579
16.2.3 管道输氢成本 580
16.2.4 利用天然气管道输氢 581
16.3 液化氢气输运 584
16.3.1 液氢输运体系 584
16.3.2 液氢利用的能源效率 586
16.3.3 液氢输运成本 586
16.3.4 输氢方法的比较 588
16.4 液体有机氢化物输氢 588
16.4.1 液体有机氢化物储氢原理及特点 589
16.4.2 液体有机氢化物的研究现状 589
16.4.3 有机氢化物储运氢的应用 591
16.4.4 液体有机储运氢气今后的发展 594
16.5 其他输氢方法 595
16.5.1 氨输运氢气 595
16.5.2 固态储氢材料输氢 597
参考文献 597
第17章 加氢站 600
17.1 加氢站的发展和现状 600
17.2 加氢站的分类 602
17.2.1 加氢站的分类和基本构成 602
17.2.2 气体氢气和液体氢气的供氢 604
17.3 加氢站中主要设施 605
17.3.1 增压系统 605
17.3.2 氢气储藏系统 613
17.3.3 高压储氢装置 613
17.3.4 加注系统 614
17.3.5 其他系统 617
17.4 各种类型加氢站 618
17.4.1 压缩氢储藏型加氢站 619
17.4.2 燃料重整型加氢站 620
17.4.3 水电解型加氢站 623
17.4.4 液氢储藏型加氢站 626
17.4.5 液体有机氢载体(LOHC)加氢站 627
17.4.6 移动加氢站 628
17.5 加氢站的氢气标准和成本分析 630
17.5.1 氢气燃料标准化 630
17.5.2 加氢站成本分析 631
17.5.3 加氢站相关标准 635
17.6 加氢站安全 635
17.6.1 储氢容量和安全距离控制 636
17.6.2 管道材质选择 637
17.6.3 氢气散逸 637
17.6.4 加氢站控制系统 638
参考文献 639
第18章 氢气与材料制备和改性 641
18.1 钢铁的氢冶炼 641
18.1.1 氢还原炼铁 641
18.1.2 氢气直接还原冶金机理和特点 642
18.1.3 成品的性能分析 644
18.1.4 氢冶金中的问题和发展趋势 645
18.1.5 两种炼铁技术的结合 646
18.2 氢气还原制备金属粉末 647
18.2.1 铁粉的制备 647
18.2.2 铜粉的制备 649
18.2.3 钨粉和钼粉的制备 649
18.2.4 浆料加压氢还原制备金属粉末 651
18.2.5 水热氢还原制备超细金属粉末 652
18.3 氢气气氛下材料处理及其氢气燃烧应用 654
18.3.1 粉末烧结 654
18.3.2 气氛保护材料热处理和加工 656
18.3.3 氢气燃烧高温的利用 659
18.4 超高纯多晶硅的制备 663
18.4.1 多晶硅的生产 664
18.4.2 改良西门子法 665
18.4.3 氢气的使用和回收 666
18.4.4 氢气的纯度要求 667
18.5 非晶硅薄膜太阳能电池 667
18.5.1 薄膜太阳能电池 667
18.5.2 非晶硅薄膜太阳电池 669
18.6 金属间化合物氢致非晶化 670
18.6.1 金属间化合物的氢气吸收和非晶态化 670
18.6.2 氢气吸收非晶态化的金属间化合物种类 673
18.7 HD和HDDR以及微观组织调控 674
18.7.1 Ti合金粉的制备 674
18.7.2 稀土永磁材料的HD现象 675
18.7.3 稀土永磁材料的HDDR现象 677
18.7.4 HDDR引起的钛基材料的晶粒微细化 680
18.7.5 Nb3M(M=Al,Si,Ge,In)粉体的制备 683
18.7.6 镍氢电池合金粉体的制备 684
18.7.7 氢气吸收与多孔金属的形成 684
18.8 氢等离子体法制备纳米材料 687
18.8.1 等离子体合成 687
18.8.2 设备及其工艺 687
18.8.3 纳米颗粒形成机理和长大过程 687
18.9 氢与材料磁学、超导及电化学性能 690
18.9.1 吸氢所引起的磁学性能变化 690
18.9.2 超导MgB2的制备 693
18.9.3 电化学性能变化 695
参考文献 698
第19章 氢能技术在电网中的应用 701
19.1 氢能技术在电力系统的应用需求及场景 701
19.1.1 应用需求及前景 701
19.1.2 电力系统中的应用场景分析 702
19.2 氢能制取与利用技术发展现状 707
19.2.1 氢能制取与利用技术型式及核心技术 707
19.2.2 国外发展现状及典型应用 711
19.3 展望 717
参考文献 718
第20章 氢能与其他领域的相关性和应用 720
20.1 概述 720
20.2 氢气在石油精炼、煤炭、天然气工业中的应用 722
20.2.1 石油精炼 722
20.2.2 煤炭的液化 725
20.2.3 一碳化学 727
20.3 氢化反应在化工和农业中的应用 729
20.3.1 石油化工中的氢化反应 729
20.3.2 合成氨 731
20.3.3 油脂的还原反应 732
20.3.4 过氧化氢的合成 732
20.3.5 生物质炼制工程 733
20.4 液氢及燃料 734
20.5 低温应用 737
20.5.1 中子源的液氢慢化器 737
20.5.2 氢冷涡轮发电机 739
20.6 生物医学 740
20.6.1 氢气疗法 740
20.6.2 氢在农业中的应用 745
20.6.3 氘代药物 745
20.6.4 药物运输 747
20.6.5 质子放疗 748
20.7 可控核聚变 750
20.8 小结和展望 753
参考文献 755
第21章 氢气的安全性 758
21.1 氢气事故和氢气特性 758
21.1.1 氢气事故 758
21.1.2 氢气基本特性 762
21.2 氢气的燃烧和爆炸性能 766
21.2.1 着火性 766
21.2.2 可燃烧范围 767
21.2.3 燃烧速度和火焰传播速度 771
21.2.4 爆燃和爆轰 772
21.2.5 氢气和空气混合气的爆炸特性 774
21.2.6 氢气燃烧火焰及辐射热 775
21.3 高压氢气的危险性 776
21.4 液态氢气的危险性 778
21.4.1 液氢的低温危险 778
21.4.2 液氢的泄漏、火灾和爆炸危险 779
21.4.3 其他危险性 780
21.4.4 液氢的贮存量和安全距离 780
21.5 材料的氢脆 780
21.5.1 氢在钢铁中的固溶和性能 781
21.5.2 不同材料的氢脆破坏 784
21.5.3 氢脆的机制 788
21.5.4 材料加氢的方法 791
21.5.5 氢脆引起的设备安全问题 791
21.5.6 氢脆的防止 793
21.6 储氢合金的安全问题 793
21.6.1 金属氢化物的着火和燃烧 793
21.6.2 粉尘爆炸的危险性 795
21.6.3 高温引起的热稳定性 795
21.7 氢燃料电池汽车的安全问题 796
21.7.1 高压保护系统 796
21.7.2 氢气泄漏检测 796
21.7.3 氢燃料电池汽车的相对安全性 797
21.7.4 氢气运输安全性 797
21.8 氢气泄漏检测方法和氢气检测器 798
21.9 安全的一般对策 800
参考文献 801
索引 804
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