Catalytic activity of Gd-doped Ni-Co ferrites in Fenton-like degradation of oxytetracycline

Editorial Board PCSS Journal; Ірина Старко; Назарій Данилюк; Любов Солтис

doi:10.15330/pcss.27.2.335-340

Автор(и)

Ірина Старко Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
Назарій Данилюк Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна
Любов Солтис Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, м. Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.335-340

Ключові слова:

Ni-Co ферит, Гадоліній, окситетрациклін, фентонподібна деградація, шпінель, очищення води

Анотація

У цьому дослідженні було оцінено ефективність Gd-вмісних Ni-Co феритів для адсорбційно-каталітичного видалення окситетрацикліну (ОТЦ) з водних розчинів. Серію феритів складу Ni_0.5Co_0.5Gd_xFe_2-xO₄ (x=0; 0.01; 0.25; 0.5) було синтезовано методом золь-гель самозаймання, а їхню каталітичну активність оцінювали у присутності 30 мМ H₂O₂ та під дією електромагнітного нагрівання (EMH). Зразок Ni_0.5Co_0.5Gd_0.01Fe_1.99O₄ продемонстрував найвищу ефективність деградації ОТЦ, досягнувши 100% видалення 25 мг/л ОТЦ за 30 хв, з константою швидкості реакції 0.1416 хв^-1. Зразки Ni_0.5Co_0.5Gd_0.025Fe_1.975O₄ та Ni_0.5Co_0.5Gd_0.05Fe_1.95O₄ мали значно нижчу активність з константами 0.0446 та 0.0444 хв^-1 відповідно, а ступінь деградації ОТЦ знизився до 67-80% залежно від концентрації. Електромагнітне поле генерує тепло локально в каталізаторі, що прискорює утворення активних форм кисню (•OH), збільшує константу швидкості реакції та сприяє ефективному руйнуванню антибіотика. Надмірне легування Gd призводить до зниження ефективності каталізатора. Збільшення концентрації OTC знижує швидкість деградації, ймовірно, шляхом блокування активних центрів каталізатора. Отримані результати демонструють перспективний потенціал Ni_0.5Co_0.5Gd_0.01Fe_1.99O₄ у поєднанні з H₂O₂ та ЕМН для швидкого та ефективного видалення антибіотиків з води, що важливо для захисту навколишнього середовища.

Посилання

N. Pinto, M. Ganapathi Naik, B.T. Naveen Kumar, K.M. Shankar, K. Rakesh, P.B. Abhiman, R.P. Sathish, K.S. Ramesh, Oxytetracycline efficacy and preliminary establishment of pharmacokinetic residues in tropical fish, Catla catla (Hamilton, 1822), Aquaculture. 571, 739481 (2023); https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2023.739481.

Z.I. Kimera, R.H. Mdegela, C.J.N. Mhaiki, E.D. Karimuribo, F. Mabiki, H.E. Nonga, J. Mwesongo, Determination of oxytetracycline residues in cattle meat marketed in the Kilosa district, Tanzania., The Onderstepoort Journal of Veterinary Research. 82, 911 (2015); https://doi.org/10.4102/ojvr.v82i1.911.

I.T. Carvalho, L. Santos, Antibiotics in the aquatic environments : A review of the European scenario, Environment International, 94, 736 (2016); https://doi.org/10.1016/j.envint.2016.06.025.

R. Daghrir, P. Drogui, Tetracycline antibiotics in the environment : a review, Environ Chem Lett, 11, 209 (2013); https://doi.org/10.1007/s10311-013-0404-8.

K. Kümmerer, Chemosphere Antibiotics in the aquatic environment – A review – Part I, Chemosphere, 75, 417 (2009); https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2008.11.086.

J.J. Pignatello, E. Oliveros, & A. MacKay, Advanced Oxidation Processes for Organic Contaminant Destruction Based on the Fenton Reaction and Related Chemistry, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 36(1), 1 (2006); https://doi.org/10.1080/10643380500326564.

E. Neyens, J. Baeyens, A review of classic Fenton’s peroxidation as an advanced oxidation technique, Journal of Hazardous Materials, 98, 33 (2003); https://doi.org/10.1016/S0304-3894(02)00282-0.

N. Thomas, D.D. Dionysiou, S.C. Pillai, Heterogeneous Fenton catalysts : A review of recent advances, Journal of Hazardous Materials, 404,124082 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124082.

V. Husak, V. Shvadchak, L. Soltys, Catalyst-Assisted H2O2 Systems for Bacterial Disinfection of Wastewater: From UV/Visible Synergy to Electro-/Photo-Fenton Pathways, Physics and Chemistry of Solid State, 26(4), 738 (2025); https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.738-751.

A. Soufi, H. Hajjaoui, R. Elmoubarki, M. Abdennouri, Applied Surface Science Advances Spinel ferrites nanoparticles : Synthesis methods and application in heterogeneous Fenton oxidation of organic pollutants – A review, Applied Surface Science Advances, 6, 100145 (2021); https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2021.100145.

T. Tatarchuk, W. Macyk, V. Bilovol, K. Sokolowski, M. Sikora, K. Sobańska, P. Pietrzyk, Core–Shell Mn- and Cu-Doped CoFe2O4@Co3O4 Hollow Spheres with Dual Adsorption and Catalytic Function, Inorganic Chemistry. 65, 2307 (2026); https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5c04962.

T. Tatarchuk, I. Starko, Mesoporous La-substituted nickel-cobalt ferrites synthesized via reduction method resulting in significantly enhanced adsorption properties, Journal of Environmental Chemical Engineering. 13, 115657 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.115657.

I. Bhagwatwar, A.N. Wazalwar, Rare-earth doped spinel ferrite nanoparticles for enhanced photocatalytic degradation of textile dyes in water purification: A comprehensive review, Journal of Environmental Chemical Engineering. 13, 120059 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.120059.

A. Akbar, M. Bhavani Lakshmi, T.K. Das, M. Ghosh, Spinel ferrites in the photocatalytic and adsorptive remediation of dyes and heavy metals: A review, Journal of Water Process Engineering, 71, 107259 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2025.107259.

N. Abinaya, M. Charles Robert, M. Sangareswari, S. Saravanakumar, Gd3+-substituted (Mn, Co)Fe2O4: A magnetically separable photocatalyst for efficient visible-light degradation of methylene blue and tetracycline in wastewater treatment, Ceramics International, 51, 34261 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.05.153.

S. Liu, S. Dong, Y. Hao, K. Qi, A. Peng, Gd-doped ZnFe2O4 multi-shell microspheres for enhancing photocatalytic H2 production or antibiotic degradation, Journal of Rare Earths, 43, 1412 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jre.2024.06.035.

A. Kumar, M.K. Gora, G. Lal, B.L. Choudhary, P.L. Meena, R.S. Dhaka, R.K. Singhal, S. Kumar, S.N. Dolia, Impact of Gd3+ doping on structural, electronic, magnetic, and photocatalytic properties of MnFe2O4 nanoferrites and application in dye-polluted wastewater remediation, Environmental Science and Pollution Research International, 30, 18820 (2023); https://doi.org/10.1007/s11356-022-23420-y.

I. Starko, T. Tatarchuk, Engineering of Mesoporous Gd ‑ substituted Ni ‑ Co Ferrites as Adsorbents for Efficient Elimination of Congo Red Dye and Oxytetracycline, Water, Air, & Soil Pollution/ 236, 173 (2025); https://doi.org/10.1007/s11270-025-07816-3.

I. Starko, T. Tatarchuk, M. Naushad, The potential of Gd doping as a promising approach for enhancing the adsorption properties of nickel-cobalt ferrites, Environmental Science and Pollution Research, 31, 55462 (2024); https://doi.org/10.1007/s11356-024-34809-2.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, N. Danyliuk, M. Naushad, V. Kotsyubynsky, V. Boychuk, Cobalt ferrite as an electromagnetically boosted metal oxide hetero-Fenton catalyst for water treatment, Chemosphere, 326, 138364 (2023); https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138364.

J. Mazarío, S. Ghosh, V. Varela-izquierdo, L.M. Martínez-prieto, B. Chaudret, Magnetic Nanoparticles and Radio Frequency Induction : From Specific Heating to Magnetically Induced Catalysis, ChemCatChem, 17(1), (2025); https://doi.org/10.1002/cctc.202400683.

H. Gavilán, A. Gallo-cordova, M. Rábade-chediak, A. Páez-rodríguez, P. Morales, L. Gutiérrez, Magnetic hyperthermia in focus: emerging non-cancer applications of magnetic nanoparticles, Nanoscale, 17, 27734 (2025); https://doi.org/10.1039/d5nr03329b.

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, I. Lapchuk, W. Macyk, A. Shyichuk, R. Kutsyk, V. Kotsyubynsky, V. Boichuk, Oxytetracycline removal and E . Coli inactivation by decomposition of hydrogen peroxide in a continuous fixed bed reactor using heterogeneous catalyst, Journal of Molecular Liquids, 366, 120267 (2022); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120267.

Y. Tang, J. Kang, M. Wang, C. Jin, J. Liu, M. Li, S. Li, Z. Li, Catalytic degradation of oxytetracycline via FeVO4 nanorods activating PMS and the insights into the performance and mechanism, Journal of Environmental Chemical Engineering, 9, 105864 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105864.