Influence of UV radiation on the catalytic activity of nanosized cobalt ferrite in the oxidative degradation reaction of dinitrophenol

Елена Викторовна Томина; Во Куанг Май; Николай Андреевич Куркин; Алёна Владимировна Дорошенко; Нгуен Ань Тьен; Александр Алексеевич Синельников

doi:10.17308/kcmf.2023.25/11105

Елена Викторовна Томина Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова, ул. Тимирязева, 8, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-5222-0756
Во Куанг Май Университет Сайгона, ул. Ан Зыонг-Выонг, 273, округ 3, район 5, Хошимин, Вьетнам
Николай Андреевич Куркин Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0468-8207
Алёна Владимировна Дорошенко Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7487-5078
Нгуен Ань Тьен Педагогический университет Хошимина, ул. Ан Зыонг-Выонг,280, округ 4, район 5, Хошимин, Вьетнам https://orcid.org/0000-0002-4396-0349
Александр Алексеевич Синельников Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0549-4615

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11105

Ключевые слова: катализ, наноразмерные ферриты, очистка сточных вод, ультрафиолетовое излучение

Аннотация

Ферриты-шпинели как легированные, так и нелегированные, в силу своей полифункциональности являются перспективными материалами для широкого спектра практических приложений, включая катализ, устойчивое производство водорода и депонирование СО₂, электронные и магнитные устройства, антибактериальные средства. В последнее время наноразмерные ферриты активно тестируются как катализаторы в фентоноподобных процессах глубокой окислительной деструкции органических веществ с целью очистки сточных вод от различных красителей, фенола и его производных, антибиотиков. Целью работы являлось установление каталитической активности
синтезированного методом цитратного горения нанопорошка СоFe₂O₄ в реакции окислительной деструкции 2,4-динитрофенола при активации процесса УФ-излучением.
Методом цитратного горения синтезирован не содержащий примесей нанопорошок феррита кобальта CoFe₂O₄ со средним размером частиц порядка 70 нм и явно выраженной агломерацией частиц. Осуществлено тестирование кобальтовой шпинели как катализатора фентоноподобной реакции окислительной деструкции 2,4-динитрофенола при УФ-облучении с l = 270 нм. Проведено дифференцирование данного процесса с сорбцией динитрофенола на наноразмерном катализаторе.
Степень деструкции 2,4 – динитрофенола в фентоноподобной реакции без катализатора CoFe₂O₄ составляет 14 %, тогда как в присутствии наноразмерного катализатора она возрастает до 80 %. Эффективная окислительная деструкция поллютанта осуществлена в менее кислой среде в сравнении с классическим Фентон-процессом при достаточно большой исходной концентрации динитрофенола. Это позволяет рассматривать наноразмерный CoFe₂O₄ как перспективный катализатор фентоноподобных процессов очистки сточных вод путем глубокой окислительной
деструкции токсикантов.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Елена Викторовна Томина, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация; Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова, ул. Тимирязева, 8, Воронеж 394087, Российская Федерация

д. х. н., доцент, заведующий кафедрой химии, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова (Воронеж, Российская Федерация).

Во Куанг Май, Университет Сайгона, ул. Ан Зыонг-Выонг, 273, округ 3, район 5, Хошимин, Вьетнам

к. х. н., доцент, Факультет естественных наук, Университет Сайгона (Хошимин,
Вьетнам).

Николай Андреевич Куркин, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Алёна Владимировна Дорошенко, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

бакалавр кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).

Нгуен Ань Тьен, Педагогический университет Хошимина, ул. Ан Зыонг-Выонг,280, округ 4, район 5, Хошимин, Вьетнам

к. х. н., доцент, заведующий
кафедрой неорганической химии, Педагогический
университет Хошимина (Хошимин, Вьетнам).

Александр Алексеевич Синельников, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н, директор Центра коллективного пользования научным оборудованием (Воронеж, Российская Федерация).

Литература

Ting Li Zhu F., Liang W., … Guan J. Simultaneous removal of p-nitrophenol and Cr(VI) using biochar supported green synthetic nano zero valent ironcopper: Mechanistic insights and toxicity evaluation. Process Safety and Environmental Protection. 2022;146: 629–640. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.09.049

Zelenskaya E. A., Chernyshev V. M., Shabelskaya N. P., Sulima S. I., Sulima E. V., Semchenko V. V., Vlasenko A. I. The study of catalytic activity of oxides of transition element in the reaction of decomposition of hydrogen peroxide. Fundamental Research. 2016:4; 261–265. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=vvyjhh

Artemyanov A. P., Zemskova L. A., Ivanov V. V. Catalytic liquid-phase oxidation of phenol in water media using carbon fiber/(iron, iron oxide) catalyst. ChemChemTech (Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Seriya: khimiya i khimicheskaya tekhnologiya). 2017:60(8); 88–95. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.6060/tcct.2017608.5582

Ivantsova N. A., Matveeva A. A., Timasheva N. A. Catalytic oxidation of methylene blue dye by air oxygen in the presence of iron shavings and hydrogen peroxide*. Ekologicheskaya khimiya. 2012:21(2); 81–85. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22266544

Checherina A. Yu., Stoyanova A. D., Konkova T. V.Investigation of the catalysis efficiency for the purification of aqueous solutions of the azorubin dye in the presence of glay from the Belgorod deposit. Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2021:35(6); 122–124. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47194891

Petrova E., Kotsikau D., Pankov V., Fahmi A. Influence of Synthesis Methods on Structural and Magnetic Characteristics of Mg–Zn-Ferrite Nanopowders. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019:473; 85–91. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.128

Somnath S., Indu S., Kotnala R. K., … Kumar G. Structural magnetic and mössbauer studies of Nddoped Mg-Mn ferrite nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017:444; 77–86. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.08.017

Rao K. S., Nayakulu S. V. R., Varma M. C., Choudary G. S. V. R. K., Rao K. H. Controlled phase evolution and the occurrence of single domain CoFe2O4 nanoparticles synthesized by PVA assisted sol-gel method. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018:451(1); 602–608. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.11.069

Mittova I. Ya., Perov N. S., Tomina E. V., Pan’kov V. V., Sladkopevtsev B. V. Multiferroic nanocrystals and diluted magnetic semiconductorsas a base for designing magnetic materials. Inorganic Materials. 2021:57(13); 22–48. https://doi.org/10.1134/S0020168521130033

Lebedev L. A., Tenevich M. I., Popkov V. I. The effect of solution-combustion mode on the structure, morphology and size-sensitive photocatalytic performance of MgFe2O4 nanopowders. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(4): 496–503. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/10645

Rehman F., Sayed M., Khan J. A., … Khattak R. Degradation of crystal violet dye by Fenton and Photofenton oxidation processes. Zeitschrift Fur Physikalische Chemie. 2018:232(12); 1771–1786. https://doi.org/10.1515/zpch-2017-1099

Oliveira T. P., Rodrigues S. F., Marques G. N., … Oliveira M. M. Synthesis, characterization, and photocatalytic investigation of CuFe2O4 for the degradation of dyes under visible light. Catalysts. 2022; 12(6): 623. https://doi.org/10.3390/catal12060623

Tomina, E. V. Kurkin N. A., Konkina D. A. Nanosized ZnFe2O4 catalyst for wastewater treatment from dyes by oxidative degradation. Ecology and Industry of Russia. 2022:26(5); 17–21. (In Russ., abstract in Eng.). https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-5-17-21

Chandrasekaran S., Bowen C., Zhang P., Li Z., Yuan Q., Ren X. Spinel photocatalysts for environmental remediation, hydrogen generation, CO2 reductionand photoelectrochemical water splitting. Journal of Materials Chemistry A. 2018;6(24): 11078–11104. https://doi.org/10.1039/c8ta03669a

Vinuthna C. H., Kadiyala C. B., Chandra S. C., Ravinder D. Magnetic and antimicrobial properties of cobalt-zinc ferrite nanoparticles synthesized by citrategel method. Applied Ceramic Technology. 2019:16(5); 1944–1953 https://doi.org/10.1111/ijac.13276

Tomina E. V., Kurkin N. A., Doroshenko A. V. Synthesis of nanosized cobalt ferrite and its catalytic properties in Fenton-like processes. Inorganic Materials. 2022:58(7); 701–705. https://doi.org/10.1134/S0020168522070135

JCPDC PCPDFWIN: A windows retrieval/display program for accessing the ICDD PDF–2 Data base, International Centre for Diffraction Data, 1997.

Brandon D., Kaplan U. Microstructure of materials. Research and control methods. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd; 1999. 384 p.

Roshanfekr R. L., Farshi G. B., Irani, M., Sadegh S. M., Haririan, I. Comparison study of phenol degradation using cobalt ferrite nanoparticles synthesized by hydrothermal and microwave methods. Desalination and Water Treatment. 2015:56(12); 3393–3402. https://doi.org/10.1080/19443994.2014.977960

Sharma R. Tailoring the photo-Fenton activity of spinel ferrites (MFe2O4) by incorporating different cations (M = Cu, Zn, Ni and Co) in the structure. RSC Advances. 2015;5: 6006–6018. https://doi.org/10.1039/C4RA13692F

Samoila, P., Cojocaru, C., Mahu, E., Ignat, M., Harabagiu, V. Boosting catalytic wet-peroxideoxidation performances of cobalt ferrite by doping with lanthanides for organic pollutants degradation. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021;9(1): 104961. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104961

Solovieva A. A., Nemchenko M. N., Lebedeva O. E. Catalytic oxidation of dinitrophenols with hydrogen peroxide in the presence of iron(II) and (III) ions*. Butlerov Communications. 2006:9(5); 27–32. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12965471

Tatarchuk T., Shyichuk A., Trawczyńska I., Yaremiy I., Pędziwiatr A. T., Kurzydło P., Bogacz B. F., Gargula R. Spinel cobalt(II) ferrite-chromites as catalysts for H2O2 decomposition: Synthesis, morphology, cation distribution and antistructure model of active centers formation. Ceramics International. 2020;46: 27517–27530. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.243

Ying G., Weihuang Z., Jiawu L., Ping L., Jianfeng Zh., Tinglin H., Kaiqiang L. Mesoporous sulfur-doped CoFe2O4 as a new Fenton catalyst for the highly efficient pollutants removal. Applied Catalysis B: Environmental. 2021;295: 120273. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120273

Tran Q. A., Tran N. L., Anh D. K. … Le T. K. Synthesis of magnetic chromium substituted cobalt ferrite Co(Crx e 1–x)2O4 adsorbents for phosphate removal. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(3): 306–314. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9852