Дослідження фотокаталітичної деградації 4-нітрофенолу в присутності феритів MFe2O4 (M = Ni, Mn, Zn)

Abstract

З розвитком промисловості відбувається збільшення концентрації небезпечних забруднюючих речовин в водних об’єктах, що є результатом скидів таких виробництв, як текстильна, паперово-целюлозна, поліграфічна, металургійна, нафтопереробна, фармацевтичних препаратів. В останні роки передові процеси окислення були визнані ефективним та альтернативним способом очищення стічних вод від органічних домішок. Ферити перехідних металів досліджуються як фотокаталізатори завдяки високій активності, нетоксичності, хімічній стійкості, магнітним, оптичним та електричним властивостям. В роботі розглянуто композиційні ферити МFe2O4 (M= Ni, Mn, Zn), що синтезовані модифікованим методом співосадження. Для характеристики отриманих зразків було використано рентгенофазовий аналіз, вібраційну магнітометрію, електронну парамагнітну резонансну спектроскопію, ультрафіолетову спектроскопію. Фотокаталітичну активність сполук вивчали в реакції розкладання 4-нітрофенолу, який використовували як модельний органічний забруднювач. Для визначення залежності основних властивостей від складу використовували симплекс-решітчасте планування експерименту. Встановлено, що отримані наночастинки феритів мають шпінельну структуру. Синтезовані наноферити мають ширину забороненої зони в межах 1,55-2,2 еВ. Всі зразки показали високу фотокаталітичну активність (ступінь розкладання 4-НФ складав 71-91%). Найбільш ефективними каталізаторами були Ni-Zn ферити та Ni-Zn-Mn ферити (ступінь деградації 4-НФ 88-92%). При підвищенні вмісту катіонів мангану більше 66% каталітичні властивості зменшувались. Магнітні властивості, такі як намагніченість насичення та коерцитивна сила, значно змінюються в залежності від концентрації катіонів Mn. Крім того, синтезовані зразки, що вміщують нікель та манган мають високі магнітні властивості, що забезпечує легкість відокремлення від водного розчину під дією зовнішнього магнітного поля.With the development of industry there is an increase in emissions of hazardous pollutants, which is the result of emissions from industries such as textiles, pulp, printing, metallurgy, refining, pharmaceuticals. In recent years, advanced oxidation processes have been recognized as an effective and alternative way to treat wastewater from organic impurities. Ferrites of transition metals have been studied as photocatalysts due to their high activity, non-toxicity, chemical resistance, magnetic, optical and electrical properties. The article considers composite ferrites MFe2O4(M = Ni, Mn, Zn) synthesized by the modified method of co-precipitation. X-ray phase analysis, vibration magnetometry, electron paramagnetic resonance spectroscopy and ultraviolet spectroscopy were used to characterize the obtained samples. The photocatalytic activity of the compounds was investigated in the 4 nitrophenol decomposition reaction, which was used as a model organic contaminant. Simplex lattice planning of the experiment was used to determine the dependence of the main properties on the composition. It was found that the obtained ferrite nanoparticles have a spinel structure. The synthesized nanoferrites have a gap band energy in the range of 1.55-2.2 eV. All samples showed high photocatalytic activity (the degree of decomposition of 4-NP was 70-90%). The most effective catalysts were Ni-Zn ferrites and Ni-Zn-Mn ferrites (degree of degradation of 4-NP 88-92%). As the content of manganese cations increased by more than 66%, the catalytic properties decreased. Magnetic properties, such as saturation magnetization and coercive force, vary significantly depending on the concentration of Mn cations. In addition, the synthesized samples containing Nickel and manganese have high magnetic properties, which provides ease of separation from the aqueous solution under the action of an external magnetic field.