Наночастицы феррита меди: синтез и изучение фотокаталитической активности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Магнитные наночастицы феррита меди(II) являются перспективным материалом для биомедицины, электроники и фотокаталитических приложений. В работе методом анионообменного осаждения с помощью анионита АВ-17-8 в ОН-форме в присутствии декстрана-40 получены однородные сферические наночастицы CuFe₂O₄ размером 18.3 ± 0.4 нм с шириной запрещенной зоны 2.37 эВ. Фотокаталитическая активность полученного материала изучена на примере фотодеградации широко распространенного анионного красителя – индигокармина – в присутствии жертвенных агентов: цитрата, карбоната и гидрокарбоната натрия. Показана эффективность совместного применения доноров электронов – гидрокарбоната и цитрата натрия, снижающих вероятность рекомбинации фотогенерированных дырок и электронов. Определены кинетические параметры процесса (псевдонулевой порядок, kкаж = 3.6 × 10–7 моль/(л мин), T1/2 = 75.8 ± 2.3 мин) и предложен его механизм. Методом ЯМР установлены промежуточные продукты фотокаталитического окисления индигокармина.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Ю. Павликов

Сибирский федеральный университет; Институт химии и химической технологии СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: apavlikov98@mail.ru
Россия, Свободный пр-т, 79, Красноярск, 660041; Академгородок, 50/24, Красноярск, 660036

С. В. Сайкова

Сибирский федеральный университет; Институт химии и химической технологии СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: apavlikov98@mail.ru
Россия, Свободный пр-т, 79, Красноярск, 660041; Академгородок, 50/24, Красноярск, 660036

Д. В. Карпов

Сибирский федеральный университет; Институт химии и химической технологии СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: apavlikov98@mail.ru
Россия, Свободный пр-т, 79, Красноярск, 660041; Академгородок, 50/24, Красноярск, 660036

Т. Ю. Иваненко

Институт химии и химической технологии СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН

Email: apavlikov98@mail.ru
Россия, Академгородок, 50/24, Красноярск, 660036

Д. И. Немкова

Сибирский федеральный университет

Email: apavlikov98@mail.ru
Россия, Свободный пр-т, 79, Красноярск, 660041

Список литературы

  1. Akita M., Ceroni P., Stephenson C.R., Masson G. // J. Org. Chem. 2023. V. 88. P. 6281.https://doi.org/10.1021/acs.joc.3c00812
  2. Prentice C., Martin A.E., Morrison J. et al. // Org. Biomol. Chem. 2023. V. 21. P. 3307.https://doi.org/10.1039/D3OB00231D
  3. Huang Z., Luo N., Zhang C. et al. // Nat. Rev. Chem. 2022. V. 6. P. 197.https://doi.org/10.1038/s41570-022-00359-9
  4. Krasilnikov V.N., Zhukov V.P., Perelyaeva L.A. et al. // Phys. Solid State. 2013. V. 55. P. 1903.https://doi.org/10.1134/S1063783413090199
  5. Kumar S.G., Rao K.S.R.K. // RSC Advances. 2015. V. 5. P. 3306.https://doi.org/10.1039/C4RA13299H
  6. Chen Y., Soler L., Cazorla C. et al. // Nat. Commun. 2023. V. 14. P. 6165.https://doi.org/10.1038/s41467-023-41976-2
  7. Kim S.P., Choi M.Y., Choi H.C. // Mater. Res. Bull. 2016. V. 74. P. 85.https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.10.024
  8. Liu X., Zhai H., Wang P. et al. // Catal. Sci. Technol. 2019. V. 9. P. 652.https://doi.org/10.1039/C8CY02375A
  9. Al-Alotaibi A.L., Altamimi N., Howsawi E. et al. // J. Inorg. Organomet. Polym. 2021. V. 31. P. 2017.https://doi.org/10.1007/s10904-021-01939-w
  10. Sarkar N., Gadore V., Mishra S.R. et al. // J. Inorg. Organomet. Polym. 2024. P. 1.https://doi.org/10.1007/s10904-024-03132-1
  11. Basu M., Sinha A.K., Pradhan M. et al. // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44. P. 6313.https://doi.org/10.1021/es101323w
  12. Adinarayana D., Annapurna N., Mohan B.S., Douglas P. // Desalination and Water Treatment. 2024. V. 320. P. 100593.https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100593
  13. Peng H.-J., Zheng P.-Q., Chao H.-Y. et al. // RSC Adv. 2020 V. 10. P. 551.https://doi.org/10.1039/C9RA08801F
  14. Ciriminna R., Delisi R., Parrino F. et al. // Chem. Commun. 2017. V. 53. P. 7521.https://doi.org/10.1039/C7CC04242F
  15. Nasri R., Larbi T., Khemir H. et al. // Inorg. Chem. Commun. 2020. V. 119. P. 108113.https://doi.org/10.1016/j.inoche.2020.108113
  16. Wang L., Wang K., He T. et al. // ACS Sustainable Chem. Eng. 2020. V. 8. P. 16048.https://doi.org/10.1039/C3RA46079G
  17. Cao X., Chen Y., Jiao S. et al. // Nanoscale. 2014. V. 6. P. 12366.https://doi.org/10.1039/C4NR03729D
  18. Nikolić V.N., Vasić M.M., Kisić D. // J. Solid State Chem. 2019. V. 275. P. 187.https://doi.org/10.1016/j.jssc.2019.04.007
  19. Ponhan W., Maensiri S. // Solid State Sci. 2009. V. 11. P. 479.https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2008.06.019
  20. Xiao Z., Jin S., Wang X. et al. // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. P. 16598.https://doi.org/10.1039/C2JM32869K.
  21. Teraoka Y., Shangguan W.F., Kagawa S. // Catal. Surv. Jpn. 1998. V. 2. P. 155.https://doi.org/10.1163/156856700X00246
  22. Saikova S., Pavlikov A., Karpov D. et al. // Materials. 2023. V. 16. P. 2318.https://doi.org/10.3390/ma1606231843
  23. Nemkova D.I., Saikova S.V., Krolikov A.E. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2024. V. 69. P. 1.https://doi.org/10.1134/S0036023623603069
  24. Yusmar A., Armitasari L., Suharyadi E. // Mater. Today: Proceedings. 2018. V. 5. P. 14955.https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.04.037
  25. Sangeetha M., Ambika S., Madhan D. et al. // J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2024. V. 35. P. 368.https://doi.org/10.1007/s10854-024-12076-8
  26. Zhang Z., Cai W., Rong S. et al. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 910.https://doi.org/10.3390/catal12080910
  27. Sonu Sharma S., Dutta V. et al. // Appl. Nanosci. 2023. V. 13. P. 3693.https://doi.org/10.1007/s13204-022-02500-y
  28. Amuthan T., Sanjeevi R., Kannan G.R., Sridevi A. // Physica B: Condens. Matter. 2022. V. 638. P. 413842.https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413842
  29. Li X., Shi C., Feng Z. et al. // J. Alloys Compd. 2023. V. 946. P. 169467.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169467
  30. Dutta V., Sudhaik A., Khan A.A.P. et al. // Mater. Res. Bull. 2023. V. 164. P. 112238.https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2023.112238
  31. Keerthana S., Yuvakkumar R., Ravi G. et al. // Environ. Res. 2021. V. 200. P. 111528.https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111528
  32. Kurenkova A.Y., Medvedeva T.B., Gromov N.V. et al. // Catalysts. 2021. V. 11. P. 870.https://doi.org/10.3390/catal11070870
  33. Куренкова А.Ю. Фотокаталитическое получение водорода из водных растворов неорганических соединений и органических субстратов растительного происхождения под действием видимого света. Новосибирск: Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, 2021. 124 с.
  34. Soto-Arreola A., Huerta-Flores A.M., Mora-Hernández J.M. et al. // J. Photochem. Photobiol., A: Chem. 2018. V. 357. P. 20.https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2018.02.016
  35. Sathiyan K., Bar‐Ziv R., Marks V. et al. // Chem. A. Eur. J. 2021. V. 27. P. 15936.https://doi.org/10.1002/chem.202103040
  36. Ahmad H., Kamarudin S.K., Minggu L.J., Kassim M. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. V. 43. P. 599.https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.10.101
  37. Christoforidis K.C., Fornasiero P. // Chem. Cat. Chem. 2017. V. 9. P. 1523.https://doi.org/10.1002/cctc.201601659
  38. Сайкова С.В., Пашков Г.Л., Пантелеева М.В. Реакционно-ионообменные процессы извлечения цветных металлов и синтеза дисперсных материалов. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2018. 198 с.
  39. Aphalo P.J., Albert A., Björn L.O. et al. Beyond the Visible: A handbook of best practice in plant UV photobiology. Helsinki: University of Helsinki, Division of Plant Biology, 2012. 174 p.
  40. Saikova S.V., Trofimova T.V., Pavlikov A.Y., Samoilo A.S. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. P. 291.https://doi.org/10.1134/S0036023620030110
  41. Finch G.I., Sinha A.P.B., Sinha K.P. // Proc. Royal Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 1957. V. 242. P. 28.https://doi.org/10.1098/rspa.1957.0151
  42. Balagurov A.M., Bobrikov I.A., Maschenko M.S. et al. // Crystallogr. Rep. 2013. V. 58. P. 710.
  43. Makuła P., Pacia M., Macyk W. // J. Phys. Chem. Lett. 2018, V. 9. P. 6814.https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b02892
  44. Василевский А.М., Коноплев Г.А., Панов М.Ф. // Оптико-физические методы исследований: Методические указания к лабораторным работам. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2011. 56 с.
  45. Zander J., Fink M.F., Attia M. et al. // Sustain. Energy Fuels. 2024. V. 8. P. 4848.https://doi.org/10.1039/D4SE00968A
  46. Uddin M.R., Khan M.R., Rahman M.W. et al. // React. Kinet. Mech. Catal. 2015. V. 116. P. 589.https://doi.org/10.1007/s11144-015-0911-7
  47. Lu C., Bao Z., Qin C. et al. // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 110155.https://doi.org/10.1039/C6RA23970F
  48. Krieger W., Bayraktar E., Mierka O. et al. // AIChE J. 2020. V. 66. P. e16953.https://doi.org/10.1002/aic.1695
  49. Manjunatha J.G.G. // J. Food. Drug. Anal. 2018. V. 26. P. 292.https://doi.org/10.1016/j.jfda.2017.05.002
  50. Braz S., Justino L.L.G., Ramos M.L., Fausto R. // Molecules. 2024. V. 29. P. 3223.https://doi.org/10.3390/molecules29133223
  51. Tavallali H., Deilamy-Rad G., Moaddeli A., Asghari K. // Spectrochim. Acta, Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2017. V. 183. P. 319.https://doi.org/10.1016/j.saa.2017.04.050
  52. Mudunkotuwa I.A., Grassian V.H. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 14986.https://doi.org/10.1021/ja106091q
  53. Field T.B., McCourt J.L., McBryde W.A.E. // Can. J. Chem. 1974. V. 52. P. 3119.https://doi.org/10.1139/v74-458
  54. Dheyab M.A., Aziz A.A., Jameel M.S. et al. // Sci. Rep. 2020. V. 10. P. 10793.https://doi.org/10.1038/s41598-020-67869-8
  55. Goodarzi A., Sahoo Y., Swihart M.T. et al. // MRS Online Proc. Library. 2003. V. 789. P. 23.https://doi.org/10.1557/PROC-789-N6.6
  56. Quici N., Morgada M.E., Gettar R.T. et al. // Appl. Catal. B. 2007. V. 71. P. 117.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2006.09.001
  57. Liu Y., He X., Duan X. et al. // Chem. Eng. J. 2015. V. 276. P. 113.https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.04.048
  58. Tomina E.V., Sladkopevtsev B.V., Tien N.A. et al. // Inorg. Mater. 2023. V. 59. P. 1363.https://doi.org/10.1134/S0020168523130010
  59. Томина Е., Куркин Н., Конкина Д. // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. С. 17.https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-5-17-21
  60. Meichtry J.M., Quici N., Mailhot G., Litter M.I. // Appl. Catal. B: Environ. 2011. V. 102. P. 555.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.12.038
  61. Haleem A., Ullah M., Shah A. et al. // Water. 2024. V. 16. P. 1588.https://doi.org/10.3390/w16111588
  62. Yang D., Ni X., Chen W., Weng Z. // J. Photochem. Photobiol., A: Chem. 2008. V. 195. P. 323.https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2007.10.020
  63. Cano M., Solis M., Diaz J. et al. // African J. Biotech. 2011. V. 10. P. 12224.
  64. Ramos R.O., Albuquerque M.V.C. Lopes W. S. et al. // J. Water Process. Eng. 2020. V. 37. P. 101535.https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101535
  65. Hernández-Gordillo A., Rodríguez-González V., Oros-Ruiz S. // Catalysis Today. 2016. V. 266. P. 27.https://doi.org/10.1016/j.cattod.2015.09.001
  66. Crema A.P.S. Piazza Borges L.D., Micke G.A. et al. // Chemosphere. 2019. V. 244. P. 125502.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125502
  67. Terres J., Battisti R., Andreaus J. et al. // Biocatal. Biotransform. 2014. V. 32. P. 64.https://doi.org/10.3109/10242422.2013.873416
  68. Vautier M., Guillard C., Herrmann J. M. // J. Catal. 2001. V. 201. P. 46.https://doi.org/10.1006/jcat.2001.3232
  69. Jefferson W.A., Hu C. Song D // ACS Omega. 2017. V. 2. P. 6728.https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00321

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. ПЭМ-изображение (а), электронная микродифракция (б) и диаграмма распределения по размерам (в) наночастиц CuFe₂O₄.

Скачать (638KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограмма наночастиц CuFe₂O₄, а также результаты уточнения профиля по методу Ритвельда (красная линия) и разностная кривая (светло-серая линия).

Скачать (147KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Оптический спектр поглощения гидрозоля наночастиц CuFe₂O₄ (a) и графики Тауца для определения ширины запрещенной зоны – прямого (б) и непрямого (в) переходов.

Скачать (254KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Оптический спектр поглощения индигокармина (5.5 × 10⁻⁵ М).

Скачать (135KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменения оптических спектров поглощения индигокармина в темновой фазе для следующих систем: а – индигокармин + NaHCO₃ + CuFe₂O₄ (опыт 1); б – индигокармин + Na₃Cit + CuFe₂O₄ (опыт 2); в – индигокармин + CuFe₂O₄ (опыт 3); г – индигокармин + NaHCO₃ + Na₃Cit + CuFe₂O₄ (опыт 4).

Скачать (531KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменения оптических спектров поглощения в ходе фотокаталитической реакции для следующих систем: a – индигокармин + NaHCO₃ + CuFe₂O₄ (опыт 1); б – индигокармин + Na₃Cit + CuFe₂O₄ (опыт 2); в – индигокармин + CuFe₂O₄  (опыт 3); г – индигокармин + NaHCO₃ + CuFe₂O₄ + Na₃Cit (опыт 4).

Скачать (553KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Влияние массы катализатора на степень фотокаталитического разложения индигокармина (a). Изменение концентрации индигокармина (б) в зависимости от использованной массы феррита меди и времени процесса.

Скачать (555KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Рентгенограмма фотокатализатора (наночастиц CuFe₂O₄) после проведения фотокаталитичекой реакции, а также результаты уточнения профиля по методу Ритвельда (красная линия) и разностная кривая (светло-серая линия).

Скачать (165KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изменения оптических спектров поглощения в ходе фотокаталитической реакции для следующих систем: а – ИК + H₂O₂ + Na₃Cit + CuFe₂O₄, n(H₂O₂) = n(Na₃Cit) (опыт 5); б – ИК + Na₂CO₃+ цитрат + CuFe₂O₄ (опыт 6).

Скачать (317KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Спектры ЯМР ¹H (a) и ¹³C (б) индигокармина до проведения фотокаталитической реакции.

Скачать (264KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Спектры ЯМР ¹H (a, б) и ¹³C (в) индигокармина после проведения фотокаталитической реакции.

Скачать (291KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025