ITMI20122035A1 - Elettrodo per evoluzione di ossigeno in processi elettrochimici industriali - Google Patents
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Description
TITOLO: ELETTRODO PER EVOLUZIONE DI OSSIGENO IN PROCESSI ELETTROCHIMICI INDUSTRIALI
AMBITO DELL’INVENZIONE
L’invenzione à ̈ relativa a un elettrodo per processi elettrolitici, in particolare a un anodo adatto allo sviluppo di ossigeno in un processo elettrolitico industriale e a un metodo per ottenerlo.
ANTECEDENTI DELL’INVENZIONE
L’invenzione à ̈ relativa a un elettrodo per processi elettrolitici, in particolare a un anodo adatto all’evoluzione di ossigeno in un processo di elettrolisi industriale. Gli anodi per evoluzione di ossigeno sono ampiamente utilizzati in diverse applicazioni elettrolitiche, diverse delle quali rientrano nell’ambito dell’elettrodeposizione catodica di metalli (elettrometallurgia) e spaziano in un vasto intervallo in termini di densità di corrente applicata, che può essere molto ridotta (ad esempio poche centinaia di A/m², come nei processi di estrazione elettrolitica di metalli) oppure molto elevata (come in alcune applicazioni di elettrodeposizione galvanica, nella quale à ̈ possibile superare i 10 kA/m², riferiti alla superficie anodica); un altro campo di applicazione degli anodi per evoluzione di ossigeno à ̈ dato dalla protezione catodica per corrente impressa. Nel campo dell’elettrometallurgia, con particolare riferimento all’estrazione elettrolitica di metalli, à ̈ tradizionalmente diffuso l’utilizzo di anodi a base di piombo, ancora validi per certe applicazioni pur presentando un sovrapotenziale di evoluzione ossigeno piuttosto elevato oltre a comportare i noti rischi per l’ambiente e la salute umana associati all’utilizzo di questo materiale. Più di recente, soprattutto per applicazioni ad alta densità di corrente, che beneficiano maggiormente del risparmio energetico associato a un potenziale di evoluzione di ossigeno più ridotto, sono stati introdotti sul mercato elettrodi per evoluzione anodica di ossigeno ottenuti a partire da substrati di metalli valvola, ad esempio titanio e sue leghe, rivestiti con composizioni catalitiche a base di metalli o loro ossidi.
C’à ̈ inoltre da considerare che il tempo di vita operativo degli anodi a base di metalli o ossidi metallici su substrati di metalli valvola si riduce notevolmente in presenza di contaminanti particolarmente aggressivi, in grado di instaurare fenomeni accelerati di corrosione o di inquinamento della superficie anodica. Sono noti anche, infatti, al fine di migliorarne la durata, anodi comprendenti il substrato, il film con composizione catalitica e un rivestimento esterno di ossidi di metalli valvola. In quest’ultimo caso, tuttavia, la presenza dello strato esterno di ossido di metallo valvola, se troppo spesso, fa aumentare a valori non accettabili il potenziale.
Si evidenzia perciò l’esigenza di disporre di anodi per sviluppo di ossigeno caratterizzati da un sovrapotenziale di ossigeno nonché una durata adeguati rispetto agli elettrodi della tecnica nota in condizioni di processo in presenza di additivi, come ad esempio nella cromatura decorativa con cromo trivalente.
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE
Vari aspetti della presente invenzione sono enunciati nelle rivendicazioni annesse. Sotto un aspetto, l’invenzione à ̈ relativa a un elettrodo adatto all’evoluzione di ossigeno in processi elettrolitici comprendente un substrato di metallo valvola, uno strato catalitico, uno strato di protezione costituito da ossidi di metalli valvola interposto tra il substrato e lo strato catalitico e un rivestimento esterno di ossidi di metalli valvola, detto strato catalitico comprendente ossidi di iridio, di stagno e di almeno un elemento dopante M scelto tra bismuto e tantalio, il rapporto molare Ir:(Ir+Sn) essendo compreso tra 0.25 e 0.55 e il rapporto molare M:(Ir+Sn+M) essendo compreso tra 0.02 e 0.15.
In una forma di realizzazione, il rapporto molare M:(Ir+Sn+M) dello strato catalitico dell’elettrodo secondo l’invenzione à ̈ compreso tra 0.05 e 0.12.
In una ulteriore forma di realizzazione, la concentrazione molare di iridio nello strato catalitico varia tra il 40 e il 50% rispetto alla somma di iridio e stagno; gli inventori hanno riscontrato che in questo intervallo di composizione l’effetto dell’elemento dopante à ̈ particolarmente efficace nel consentire la formazione di cristalliti di ridotte dimensioni ed elevata attività catalitica, ad esempio con dimensione di 5 nm. Gli inventori hanno inoltre osservato che quando lo strato catalitico ha una composizione e una dimensione dei cristalliti come descritto, la deposizione di un ulteriore strato esterno di metallo valvola con funzione di barriera porta a una morfologia generale più regolare e omogenea tanto che l’innalzamento di potenziale dovuto all’aggiunta di questi strati esterni sugli strati catalitici dell’arte nota à ̈ molto minore.
In una forma di realizzazione, lo strato di protezione interposto tra strato catalitico e substrato di metallo valvola comprende un ossido di metallo valvola capace di formare un film sottile impervio agli elettroliti, ad esempio scelto tra ossido di titanio, ossido di tantalio o miscele dei due. Questo ha il vantaggio di proteggere ulteriormente il substrato sottostante a base di titanio o altro metallo valvola dagli attacchi di elettroliti aggressivi, ad esempio in processi come quelli tipici dell’elettrodeposizione metallica.
In una forma di realizzazione, l’elettrodo à ̈ ottenuto su un substrato di titanio, opzionalmente legato; rispetto agli altri metalli valvola, il titanio à ̈ caratterizzato da un costo ridotto a fronte di una buona resistenza alla corrosione. Inoltre, il titanio presenta una buona facilità di lavorazione meccanica, che ne consente l’utilizzo per l’ottenimento di substrati di varia geometria, ad esempio in forma di lamiera piana, lamiera perforata, lamiera espansa o rete, secondo le esigenze delle diverse applicazioni.
In una ulteriore forma di realizzazione, l’elettrodo secondo l’invenzione ha il carico specifico degli ossidi di metalli valvola del rivestimento esterno compreso tra 2 e 25 g/m². Gli inventori hanno sorprendentemente rilevato che questo strato barriera, noto nell’arte, applicato per decomposizione termica su di uno strato catalitico come sopra descritto produce un vantaggioso incremento della durata di un elettrodo secondo l’invenzione utilizzato per l’evoluzione anodica di ossigeno, particolarmente nell’intervallo compreso tra i 2 e 7 g/m<2>, e un minore innalzamento di potenziale rispetto a quello che si ha nell’aggiunta dello strato su strati catalitici dell’arte nota.
In un’ulteriore forma di realizzazione, l’elettrodo dell’invenzione ha il carico specifico di detti ossidi di metalli valvola del rivestimento esterno compreso tra 9 e 25 g/m². Gli inventori hanno sorprendentemente osservato che anche queste maggiori quantità di ossidi di metalli valvola nello strato esterno il potenziale anodico à ̈ ancora migliore di quello tipico dell’aggiunta a strati catalitici dell’arte nota e in più che lo strato funziona come efficace barriera nei confronti della diffusione verso lo strato catalitico interno di composti e ioni presenti nell’elettrolita. Questo accoppiamento di caratteristiche, minore potenziale anodico e sostanziale riduzione della diffusione, risultano molto importanti ad esempio nella cromatura decorativa, in quanto l’abbassamento di potenziale anche solo di 50 mV a 1000 A/m<2>e la minore diffusione degli ioni Cr(III) diminuiscono la cinetica della reazione parassita anodica di ossidazione del Cr(III) a Cr(VI) che à ̈ in grado di peggiorare gravemente la qualità del deposito catodico di cromo metallico. Nell’arte nota la produzione di Cr(VI) dovuta lla reazione parassita à ̈ di solito compensata con l’aggiunta di additivi che richiedono uno spurgo periodico del bagno e il seguente reintegro di soluzione fresca.
In una forma di realizzazione l’elettrodo dell’invenzione ha il rivestimento esterno di metalli valvola costituito da un componente scelto tra ossido di titanio e ossido di tantalio.
Sotto un altro aspetto, l’invenzione à ̈ relativa a un metodo per la produzione di un elettrodo adatto all’impiego come anodo per evoluzione di ossigeno in processi elettrolitici che comprende l’applicazione in una o più mani di una soluzione contenente precursori di iridio, stagno e di detto almeno un elemento dopante M a un substrato di metallo valvola e la successiva decomposizione di detta soluzione mediante trattamento termico in aria a una temperatura compresa tra 480 e 530°C, con formazione di detto rivestimento catalitico e con formazione di detto rivestimento esterno per applicazione e successiva decomposizione termica di una soluzione contenente un precursore di tantalio o di titanio.
Prima di detto stadio di applicazione del rivestimento catalitico, il substrato può essere dotato di uno strato di protezione a base di ossidi di metalli valvola applicato mediante procedure note nella tecnica, ad esempio per polverizzazione in fiamma o plasma, per trattamento termico prolungato del substrato in atmosfera di aria, per decomposizione termica di una soluzione contenente composti di metalli valvola quali titanio o tantalio, o altro.
Sotto un altro aspetto, l’invenzione à ̈ relativa a un processo di elettrodeposizione catodica di metalli a partire da una soluzione acquosa ove la semireazione anodica à ̈ una reazione di evoluzione di ossigeno condotta sulla superficie di un elettrodo come testé descritto.
Sotto un ulteriore aspetto, l’invenzione à ̈ relativa a un processo di elettrodeposizione catodica di cromo da una soluzione acquosa contenente Cr(III).
Alcuni tra i più significativi risultati ottenuti dagli inventori sono presentati nei seguenti esempi, che non intendono limitare l’ambito dell’invenzione.
ESEMPIO 1
Una lamiera di titanio grado 1 di dimensioni 200 mm x 200 mm x 3 mm à ̈ stata sgrassata con acetone in un bagno di ultrasuoni per 10 minuti e sottoposta prima a sabbiatura con graniglia di corindone fino ad ottenere un valore di rugosità superficiale Rzcompreso tra 40 e 45 µm, poi a normalizzazione per 2 ore a 570°C, quindi a decapaggio in H2SO4al 27% in peso e ad una temperatura di 85°C per 105 minuti, controllando che la relativa perdita in peso fosse compresa tra 180 e 250 g/m².
Dopo asciugatura, alla lamiera à ̈ stato applicato uno strato di protezione a base di ossidi di titanio e tantalio in rapporto molare 80:20, per un carico complessivo di 0.6 g/m² riferito ai metalli (pari a 0.87 g/m² riferito agli ossidi). L’applicazione dello strato protettivo à ̈ stata effettuata mediante verniciatura in tre mani con una soluzione precursore – ottenuta per aggiunta di una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl, ad una soluzione acquosa di TiCl4– e successiva decomposizione termica a 515°C.
Una soluzione 1.65 M di acetatoidrossicloro complesso di Sn (nel seguito: SnHAC) Ã ̈ stata preparata secondo la procedura descritta in WO 2005/014885.
Una soluzione 0.9 M di acetatoidrossicloro complesso di Ir (nel seguito: IrHAC) Ã ̈ stata preparata dissolvendo IrCl3in acido acetico acquoso al 10% in volume, evaporando il solvente, riprendendo con acido acetico acquoso al 10% con evaporazione successiva del solvente per altre due volte, dissolvendo infine il prodotto ancora in acido acetico acquoso al 10% ad ottenere la concentrazione specificata.
Una soluzione precursore contenente 50 g/l di bismuto à ̈ stata preparata sciogliendo 7.54 g di BiCl3a freddo, sotto agitazione, in un bicchiere contenente 60 ml di HCl al 10% in peso. A scioglimento avvenuto, una volta constatato l’ottenimento di una soluzione limpida, il volume à ̈ stato portato a 100 ml con HCl al 10% in peso.
A un secondo bicchiere mantenuto sotto agitazione sono stati aggiunti 10.15 ml della soluzione 1.65 M di SnHAC, 10 ml della soluzione 0.9 M di IrHAC e 7.44 ml della soluzione di Bi a 50 g/l. L’agitazione à ̈ stata proseguita per 5 minuti. Sono stati quindi aggiunti 10 ml di acido acetico al 10% in peso.
Parte della soluzione à ̈ stata applicata per pennellatura in 7 mani alla lamiera di titanio precedentemente trattata, effettuando dopo ogni mano una fase di essiccamento a 60°C per 15 minuti e una successiva decomposizione ad alta temperatura della durata di 15 minuti. La fase di decomposizione ad alta temperatura à ̈ stata effettuata a 480°C dopo la prima mano, a 500°C dopo la seconda mano, a 520°C dopo le mani successive. In tal maniera à ̈ stato applicato uno strato catalitico con un rapporto molare Ir:Sn:Bi pari a 33:61:6 e con un carico specifico di Ir pari a circa 10 g/m².
Si à ̈ quindi si à ̈ proceduto con l’applicazione del rivestimento esterno (pari a 12 g/m<2>riferito agli ossidi) effettuata mediante verniciatura in 8 mani con una soluzione una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl. Tre campioni di superficie pari a 1 cm² sono stati ritagliati dall’elettrodo così ottenuto e sottoposti ad un test di durata accelerato sotto evoluzione anodica di ossigeno, misurando il tempo di disattivazione (definito come il tempo di esercizio necessario ad osservare un aumento di potenziale pari a 1 V) in H2SO4a 150 g/l, alla temperatura di 60°C e ad una densità di corrente di 30 kA/m². Il tempo di disattivazione medio per i tre campioni à ̈ risultato essere di 600 ore.
Il potenziale anodico a 1000 A/m<2>Ã ̈ risultato essere 1,556 (V vs NHE).
ESEMPIO 2
Una lamiera di titanio grado 1 di dimensioni 200 mm x 200 mm x 3 mm à ̈ stata pretrattata e dotata di uno strato di protezione a base di ossidi di titanio e tantalio in rapporto molare 80:20 come nell’esempio precedente. Una soluzione precursore contenente 50 g/l di tantalio à ̈ stata preparata ponendo 10g di TaCl5in un bicchiere contenente 60 ml di HCl 37%w e il tutto portato all’ebollizione per 15 minuti sotto agitazione. Si sono aggiunti quindi 50 ml di H2O demi e si à ̈ continuato a scaldare la soluzione per circa 2 ore fino a quando la concentrazione non à ̈ tornata ad essere 50±3 ml. Si aggiungono quindi 60 ml HCl 37%w ottenendo una soluzione trasparente portata nuovamente all’ebollizione fino a quando la concentrazione non à ̈ tornata ad essere 50±3 ml. Il volume à ̈ stato infine portato a 100 ml con H2O demi. A un secondo bicchiere mantenuto sotto agitazione sono stati aggiunti 10.15 ml della soluzione 1.65 M di SnHAC dell’esempio precedente, 10 ml della soluzione 0.9 M di IrHAC dell’esempio precedente e 7.44 ml della soluzione di Ta a 50 g/l. L’agitazione à ̈ stata proseguita per 5 minuti. Sono stati quindi aggiunti 10 ml di acido acetico al 10% in peso. Parte della soluzione à ̈ stata applicata per pennellatura in 8 mani alla lamiera di titanio precedentemente trattata, effettuando dopo ogni mano una fase di essiccamento a 60°C per 15 minuti e una successiva decomposizione ad alta temperatura della durata di 15 minuti. La fase di decomposizione ad alta temperatura à ̈ stata effettuata a 480°C dopo la prima mano, a 500°C dopo la seconda mano, a 520°C dopo le mani successive. In tal maniera à ̈ stato applicato uno strato catalitico con un rapporto molare Ir:Sn:Ta pari a 32.5:60:7.5 e con un carico specifico di Ir pari a circa 10 g/m².Si à ̈ quindi si à ̈ proceduto con l’applicazione del rivestimento esterno (pari a 15 g/m<2>riferito agli ossidi) effettuata mediante verniciatura in 10 mani con una soluzione una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl. Tre campioni di superficie pari a 1 cm² sono stati ritagliati dall’elettrodo così ottenuto e sottoposti ad un test di durata accelerato sotto evoluzione anodica di ossigeno, misurando il tempo di disattivazione (definito come il tempo di esercizio necessario ad osservare un aumento di potenziale pari a 1 V) in H2SO4a 150 g/l, alla temperatura di 60°C e ad una densità di corrente di 30 kA/m². Il tempo di disattivazione medio per i tre campioni à ̈ risultato essere di 520 ore.
Il potenziale anodico a 1000 A/m<2>Ã ̈ risultato essere 1,579 (V vs NHE)
CONTROESEMPIO 1
Una lamiera di titanio grado 1 di dimensioni 200 x 200 x 3 mm à ̈ stata sgrassata e sottoposta prima a sabbiatura con graniglia metallica fino ad ottenere un valore di rugosità superficiale Rzcompreso tra 70 e 100 µm, poi a decapaggio in HCl al 20% in peso e ad una temperatura di 90-100°C per 20 minuti.
Dopo asciugatura, alla lamiera à ̈ stato applicato uno strato di protezione a base di ossidi di titanio e tantalio in rapporto molare 80:20, per un carico complessivo di 0.6 g/m² riferito ai metalli (pari a 0.87 g/m² riferito agli ossidi). L’applicazione dello strato protettivo à ̈ stata effettuata mediante verniciatura in tre mani con una soluzione precursore – ottenuta per aggiunta di una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl, ad una soluzione acquosa di TiCl4– e successiva decomposizione termica a 500°C.
Sullo strato di protezione à ̈ stato quindi applicato un rivestimento catalitico a base di ossidi di iridio e tantalio in rapporto ponderale 65:35 (pari a un rapporto molare di circa 66.3:36.7), per un carico complessivo di iridio di 10 g/m² .L’elettrodo à ̈ stato trattato termicamente per 2h a 515°C, quindi si à ̈ proceduto con l’applicazione del rivestimento esterno (pari a 15 g/m<2>riferito agli ossidi) effettuata mediante verniciatura in 10 mani con una soluzione una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl. Tre campioni di superficie pari a 1 cm² sono stati ritagliati dall’elettrodo così ottenuto e sottoposti ad un test di durata accelerato sotto evoluzione anodica di ossigeno, misurando il tempo di disattivazione (definito come il tempo di esercizio necessario ad osservare un aumento di potenziale pari a 1 V) in H2SO4a 150 g/l, alla temperatura di 60°C e ad una densità di corrente di 30 kA/m². Il tempo di disattivazione medio per i tre campioni à ̈ risultato essere di 525 ore.
Il potenziale anodico a 1000 A/m<2>Ã ̈ risultato essere 1,601 (V vs NHE)
CONTROESEMPIO 2
Una lamiera di titanio grado 1 di dimensioni 200 x 200 x 3 mm à ̈ stata sgrassata e sottoposta prima a sabbiatura con graniglia metallica fino ad ottenere un valore di rugosità superficiale Rzcompreso tra 70 e 100 µm, poi a decapaggio in HCl al 20% in peso e ad una temperatura di 90-100°C per 20 minuti.
Dopo asciugatura, alla lamiera à ̈ stato applicato uno strato di protezione a base di ossidi di titanio e tantalio in rapporto molare 80:20, per un carico complessivo di 0.6 g/m² riferito ai metalli (pari a 0.87 g/m² riferito agli ossidi). L’applicazione dello strato protettivo à ̈ stata effettuata mediante verniciatura in tre mani con una soluzione precursore – ottenuta per aggiunta di una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl, ad una soluzione acquosa di TiCl4– e successiva decomposizione termica a 500°C.
Sullo strato di protezione à ̈ stato quindi applicato un rivestimento catalitico costituito da due strati distinti: un primo strato (interno) a base di ossidi di iridio e tantalio in rapporto ponderale 65:35 (pari a un rapporto molare di circa 66.3:36.7), per un carico complessivo di iridio di 2 g/m² ed un secondo strato (esterno) a base di ossidi di iridio, tantalio e titanio in rapporto ponderale 78:20:2 (corrispondente a un rapporto molare di circa 80.1: 19.4:0.5), per un carico complessivo di iridio di 10 g/m².
Si à ̈ quindi si à ̈ proceduto con l’applicazione del rivestimento esterno (pari a 15 g/m<2>riferito agli ossidi) effettuata mediante verniciatura in 10 mani con una soluzione una soluzione acquosa di TaCl5, acidificata con HCl. Tre campioni di superficie pari a 1 cm² sono stati ritagliati dall’elettrodo così ottenuto e sottoposti ad un test di durata accelerato sotto evoluzione anodica di ossigeno, misurando il tempo di disattivazione (definito come il tempo di esercizio necessario ad osservare un aumento di potenziale pari a 1 V) in H2SO4a 150 g/l, alla temperatura di 60°C e ad una densità di corrente di 30 kA/m². Il tempo di disattivazione medio per i tre campioni à ̈ risultato essere di 580 ore.
Il potenziale anodico a 1000 A/m<2>Ã ̈ risultato essere 1,602 (V vs NHE)
La precedente descrizione non intende limitare l’invenzione, che può essere utilizzata secondo diverse forme di realizzazione senza per questo discostarsi dagli scopi e la cui portata à ̈ univocamente definita dalle rivendicazioni allegate. Nella descrizione e nelle rivendicazioni della presente domanda la parola “comprendere†e le sue variazioni quali “comprendente†e “comprende†non escludono la presenza di altri elementi o componenti aggiuntivi.
Claims (10)
- TITOLO: ELETTRODO PER EVOLUZIONE DI OSSIGENO IN PROCESSI ELETTROCHIMICI INDUSTRIALI RIVENDICAZIONI 1. Elettrodo adatto all’evoluzione di ossigeno in processi elettrolitici comprendente un substrato di metallo valvola, uno strato catalitico, uno strato di protezione costituito da ossidi di metalli valvola interposto tra detto substrato e detto strato catalitico e un rivestimento esterno di ossidi di metalli valvola, detto strato catalitico comprendente ossidi di iridio, di stagno e di almeno un elemento dopante M scelto tra bismuto e tantalio, il rapporto molare Ir:(Ir+Sn) essendo compreso tra 0.25 e 0.55 e il rapporto molare M:(Ir+Sn+M) essendo compreso tra 0.02 e 0.15.
- 2. L’elettrodo secondo la rivendicazione 1 ove detto rapporto molare M:(Ir+Sn+M) à ̈ compreso tra 0.05 e 0.12.
- 3. L’elettrodo secondo la rivendicazione 1 o 2 ove detto rapporto molare Ir:(Ir+Sn) à ̈ compreso tra 0.40 e 0.50.
- 4. L’elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove detti ossidi di iridio, di stagno e di almeno un elemento dopante M in detto strato catalitico sono costituiti da cristalliti di dimensione media inferiore a 5 nm.
- 5. L’elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove detto rivestimento esterno di metalli valvola à ̈ costituito da un componente scelto tra ossido di titanio e ossido di tantalio.
- 6. L’elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove il carico specifico di detti ossidi di metalli valvola di detto rivestimento esterno à ̈ compreso tra 2 e 25 g/m².
- 7. L’elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove il carico specifico di detti ossidi di metalli valvola di detto rivestimento esterno à ̈ compreso tra 9 e 25 g/m².
- 8. Metodo per la produzione di un elettrodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 che comprende l’applicazione di una soluzione contenente precursori di iridio, stagno e detto almeno un elemento dopante M a un substrato di metallo valvola e la successiva decomposizione di detta soluzione mediante trattamento termico in aria a una temperatura compresa tra 480 e 530°C, formazione di detto rivestimento esterno per applicazione e successiva decomposizione termica di una soluzione contenente un precursore di tantalio o di titanio.
- 9. Processo di elettrodeposizione catodica di metalli da una soluzione acquosa che comprende l’evoluzione anodica di ossigeno sulla superficie di un elettrodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7.
- 10. Processo secondo la rivendicazione 9, dove detta elettrodeposizione catodica à ̈ l’elettrodeposizione di cromo da una soluzione acquosa contenente Cr(III).
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