Structure, adsorption properties and Fenton-like catalytic activity of cobalt ferrite nanoparticles synthesized with Physalis extract

Editorial Board PCSS Journal; Марія Лясковська; Тетяна Татарчук; Володимир Коцюбинський

doi:10.15330/pcss.26.2.216-230

Автор(и)

Марія Лясковська Івано-Франківський національний медичний унверситет, Івано-Франківськ, Україна; Кафедра хімії, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Тетяна Татарчук Навчально-науковий центр хімічного матеріалознавства та нанотехнологій, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Володимир Коцюбинський Кафедра прикладної фізики і матеріалознавства, Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.2.216-230

Ключові слова:

“зелений” синтез, ферит, адсорбція, Фентон-подібна активність, електрохімічний тест, окиснювальна деградація

Анотація

Наночастинки фериту кобальту синтезовані з різних частин екстракту фізалісу. Методи визначення характеристик, включаючи Х-променевий аналіз та дані ІЧ-спектроскопії, підтвердили структуру шпінелі синтезованих феритів. Згідно з даними ІЧ, спектри містять піки, що відповідають органічним залишкам, які походять від «зеленого» відновника. Дані Х-променевого аналізу свідчать про збільшення параметра ґратки та розміру кристалітів у ряду: CoFe₂O₄–F < CoFe₂O₄–FH < CoFe₂O₄–H. Відповідно до фотографій СЕМ, зразок CoFe₂O₄–H демонструє нижчий ступінь агломерації в поєднанні зі значною пористістю, тоді як CoFe₂O₄–FH та CoFe₂O₄–F зразки демонструють більш чіткі пластинчасті структури. Ступінь інверсії розраховували на основі мессбауерівських спектрів зразків. Дані БЕТ показують, що використання екстракту плодів фізалісу+лушпиння призводить до утворення наночастинок зі збільшеною площею поверхні (76 м²/г), а використання екстракту плодів фізалісу призводить до утворення збільшеної площі мезопор (46 м²/г). Досліджено адсорбційні та Фентон-подібні каталітичні властивості синтезованих зразків. Найвищий ступінь видалення барвника Конго Червоного спостерігався для зразка CoFe₂O₄–FH, тоді як найнижчий для CoFe₂O₄–H. ІЧ-спектри підтвердили хемосорбцію молекул барвника на поверхні фериту. Адсорбція вища на поверхні з вищим ступенем функціональності. Досліджено Фентон-подібне каталітичне окислення барвника Конго Червоного у присутності H₂O₂, що продемонструвало високу каталітичну активність усіх зразків щодо видалення барвника та розкладання пероксиду водню. Амперометричні вимірювання кривої I–τ використовували для спостереження змін у взаємодії між пероксидом водню та феритами.

Посилання

I. Khan, K. Saeed, I. Khan, Nanoparticles: Properties, applications and toxicities, Arab. J. Chem. (2019); https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011.

P. Anastas, N. Eghbali, Green chemistry: Principles and practice, Chem. Soc. Rev. 39, 301 (2010); https://doi.org/10.1039/b918763b.

N. Shreyash, S. Bajpai, M.A. Khan, Y. Vijay, S.K. Tiwary, M. Sonker, Green Synthesis of Nanoparticles and Their Biomedical Applications: A Review, ACS Appl. Nano Mater. 4, 11428 (2021); https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02946.

M. Liaskovska, T. Tatarchuk, M. Bououdina, I. Mironyuk, Green Synthesis of Magnetic Spinel Nanoparticles, in: Springer Proc. Phys., (2019). https://doi.org/10.1007/978-3-030-17755-3_25.

M. Liaskovska, T. Tatarchuk, Green synthesis of zinc ferrite, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 719, 45 (2021); https://doi.org/10.1080/15421406.2020.1862459.

I.M. Chung, I. Park, K. Seung-Hyun, M. Thiruvengadam, G. Rajakumar, Plant-Mediated Synthesis of Silver Nanoparticles: Their Characteristic Properties and Therapeutic Applications, Nanoscale Res. Lett. 11, 1 (2016); https://doi.org/10.1186/s11671-016-1257-4.

S. Gómez-Graña, M. Perez-Ameneiro, X. Vecino, I. Pastoriza-Santos, J. Perez-Juste, J.M. Cruz, A.B. Moldes, Biogenic synthesis of metal nanoparticles using a biosurfactant extracted from corn and their antimicrobial properties, Nanomaterials. 7 (2017); https://doi.org/10.3390/nano7060139.

T. Tatarchuk, M. Liaskovska, V. Kotsyubynsky, M. Bououdina, Green synthesis of cobalt ferrite nanoparticles using Cydonia oblonga extract: structural and mössbauer studies, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 672 (2018); https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1542107.

S.S.L. Ali, S. Selvaraj, K.M. Batoo, A. Chauhan, G. Rana, S. Kalaichelvan, A. Radhakrishnan, Green synthesis of cubic spinel ferrites and their potential biomedical applications, Ceram. Int. (2024); https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2024.10.084.

M. Madhukara Naik, H.S. Bhojya Naik, G. Nagaraju, M. Vinuth, K. Vinu, R. Viswanath, Green synthesis of zinc doped cobalt ferrite nanoparticles: Structural, optical, photocatalytic and antibacterial studies, Nano-Structures and Nano-Objects. 19, 100322 (2019); https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2019.100322.

D. Gingasu, I. Mindru, S. Preda, J.M. Calderon-Moreno, D.C. Culi, L. Patron, L. Diamandescu, Green synthesis of cobalt ferrite nanoparticles using plant extracts, Rev. Roum. Chim. 62, 645 (2017).

M.K. Satheeshkumar, E.R. Kumar, C. Srinivas, N. Suriyanarayanan, M. Deepty, C.L. Prajapat, T.V.C. Rao, D.L. Sastry, Study of structural, morphological and magnetic properties of Ag substituted cobalt ferrite nanoparticles prepared by honey assisted combustion method and evaluation of their antibacterial activity, J. Magn. Magn. Mater. 469, 691 (2019); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.039.

R.S. Yadav, I. Kuřitka, J. Vilcakova, P. Urbánek, M. Machovsky, M. Masař, M. Holek, Structural, magnetic, optical, dielectric, electrical and modulus spectroscopic characteristics of ZnFe2O4 spinel ferrite nanoparticles synthesized via honey-mediated sol-gel combustion method, J. Phys. Chem. Solids. 110, 87 (2017); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.05.029.

K. Kombaiah, J.J. Vijaya, L.J. Kennedy, M. Bououdina, R.J. Ramalingam, H.A. Al-Lohedan, Okra extract-assisted green synthesis of CoFe2O4 nanoparticles and their optical, magnetic, and antimicrobial properties, Mater. Chem. Phys. 204, 410 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.10.077.

Y.P. Yew, K. Shameli, M. Miyake, N. Kuwano, N.B. Bt Ahmad Khairudin, S.E. Bt Mohamad, K.X. Lee, Green Synthesis of Magnetite (Fe3O4) Nanoparticles Using Seaweed (Kappaphycus alvarezii) Extract, Nanoscale Res. Lett. 11 (2016); https://doi.org/10.1186/s11671-016-1498-2.

M. Madhukara Naik, H.S. Bhojya Naik, G. Nagaraju, M. Vinuth, H. Raja Naika, K. Vinu, Green synthesis of zinc ferrite nanoparticles in Limonia acidissima juice: Characterization and their application as photocatalytic and antibacterial activities, Microchem. J. 146, 1227 (2019); https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.02.059.

B.S. Surendra, Green engineered synthesis of Ag-doped CuFe2O4: Characterization, cyclic voltammetry and photocatalytic studies, J. Sci. Adv. Mater. Devices. 3, 44 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2018.01.005.

D. Gingasu, I. Mindru, O.C. Mocioiu, S. Preda, N. Stanica, L. Patron, A. Ianculescu, O. Oprea, S. Nita, I. Paraschiv, M. Popa, C. Saviuc, C. Bleotu, M.C. Chifiriuc, Synthesis of nanocrystalline cobalt ferrite through soft chemistry methods: A green chemistry approach using sesame seed extract, Mater. Chem. Phys. 182, 219 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.07.026.

N. Mazova, V. Popova, A. Stoyanova, Food Science and Applied Biotechnology Phytochemical composition and biological activity of Physalis spp.: A mini-review, Food Sci. Appl. Biotechnol. 2020, 56 (2020).

J. Ramakrishna Pillai, A.F. Wali, G.A. Menezes, M.U. Rehman, T.A. Wani, A. Arafah, S. Zargar, T.M. Mir, Chemical Composition Analysis, Cytotoxic, Antimicrobial and Antioxidant Activities of Physalis angulata L.: A Comparative Study of Leaves and Fruit, Molecules. 27 (2022); https://doi.org/10.3390/molecules27051480.

L.-X. Chen, G.-Y. Xia, Q.-Y. Liu, Y.-Y. Xie, F. Qiu, Chemical constituents from the calyces of Physalis alkekengi var. franchetii, Biochem. Syst. Ecol. 54, 31 (2014); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.bse.2013.12.030.

C.-R. Zhang, W. Khan, J. Bakht, M.G. Nair, New antiinflammatory sucrose esters in the natural sticky coating of tomatillo (Physalis philadelphica), an important culinary fruit, Food Chem. 196, 726 (2016); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.007.

Y.-M. Xu, E.M.K. Wijeratne, A.D. Brooks, P. Tewary, L.-J. Xuan, W.-Q. Wang, T.J. Sayers, A.A.L. Gunatilaka, Cytotoxic and other withanolides from aeroponically grown Physalis philadelphica, Phytochemistry. 152, 174 (2018); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2018.04.018.

L.-X. Chen, G.-Y. Xia, H. He, J. Huang, F. Qiu, X.-L. Zi, New withanolides with TRAIL-sensitizing effect from Physalis pubescens L., RSC Adv. 6, 52925 (2016); https://doi.org/10.1039/C6RA07031K.

J.R. Medina-Medrano, N. Almaraz-Abarca, M.S. González-Elizondo, J.N. Uribe-Soto, L.S. González-Valdez, Y. Herrera-Arrieta, Phenolic constituents and antioxidant properties of five wild species of Physalis (Solanaceae), Bot. Stud. 56, 24.(2015); https://doi.org/10.1186/s40529-015-0101-y.

J. Qu, X. Yuan, X. Wang, P. Shao, Zinc accumulation and synthesis of ZnO nanoparticles using Physalis alkekengi L., Environ. Pollut. 159, 1783 (2011); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.envpol.2011.04.016.

V. Sekar, M.M. Al-Ansari, J. Narenkumar, L. Al-Humaid, P. Arunkumar, A. Santhanam, Synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) with improved anti-diabetic, antioxidant and anti-microbial activity from Physalis minima, J. King Saud Univ. -Sci. 34, 102197 (2022);https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jksus.2022.102197.

G.S. Vasyliev, V.I. Vorobyova, O.M. Kuzmenko, M.I. Skiba, Electrochemical evaluation of reducing ability of plant extracts, (n.d.) 246–267.

A. Rondinone, A. Samia, Z. John, Characterizing the magnetic anisotropy constant of spinel cobalt ferrite nanoparticles, Appl. Phys. Lett. 76, 3624 (2000); https://doi.org/10.1063/1.126727.

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, A. Shyichuk, V. Kotsyubynsky, I. Lapchuk, V. Mandzyuk, Green synthesis of cobalt ferrite using grape extract: the impact of cation distribution and inversion degree on the catalytic activity in the decomposition of hydrogen peroxide, Emergent Mater. 5, 89 (2022).

A.L. Tiano, G.C. Papaefthymiou, C.S. Lewis, J. Han, C. Zhang, Q. Li, C. Shi, A.M.M. Abeykoon, S.J.L. Billinge, E. Stach, J. Thomas, K. Guerrero, P. Munayco, J. Munayco, R.B. Scorzelli, P. Burnham, A.J. Viescas, S.S. Wong, Correlating size and composition-dependent effects with magnetic, Mössbauer, and pair distribution function measurements in a family of catalytically active ferrite nanoparticles, Chem. Mater. 27, 3572 (2015); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b00767.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, V. Kotsyubynsky, N. Danyliuk, Catalytically active cobalt ferrites synthesized using plant extracts: Insights into structural, optical, and catalytic properties, Ceram. Int. 51, 4988 (2025); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.470.

N. Colthup, Introduction to infrared and Raman spectroscopy, Elsevier, 2012.

D. Cozzolino, The Role of Visible and Infrared Spectroscopy Combined with Chemometrics to Measure Phenolic Compounds in Grape and Wine Samples, Molecules. 20, 726 (2015); https://doi.org/10.3390/molecules20010726.

M. Thommes, K. Kaneko, A. V. Neimark, J.P. Olivier, F. Rodriguez-Reinoso, J. Rouquerol, K.S.W. Sing, Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report), Pure Appl. Chem. 87, 1051 (2015); https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117.

D.H.K. Reddy, Y.-S. Yun, Spinel ferrite magnetic adsorbents: Alternative future materials for water purification?, Coord. Chem. Rev. 315, 90 (2016); https://doi.org/10.1016/J.CCR.2016.01.012.

M. Liaskovska, Adsorption Properties of Magnetic CoFe2O4 Based Spinel Nanoparticles, Nanomater. Nanocomposites, Nanostructures, Their Appl. (2024); https://doi.org/10.1007/978-3-031-67519-5_13.

C. Aoopngan, J. Nonkumwong, S. Phumying, W. Promjantuek, S. Maensiri, P. Noisa, S. Pinitsoontorn, S. Ananta, L. Srisombat, Amine-Functionalized and Hydroxyl-Functionalized Magnesium Ferrite Nanoparticles for Congo Red Adsorption, ACS Appl. Nano Mater. 2, 5329 (2019); https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01305.

T. Tatarchuk, Studying the Defects in Spinel Compounds: Discovery, Formation Mechanisms, Classification, and Influence on Catalytic Properties, Nanomaterials. 14 (2024); https://doi.org/10.3390/nano14201640.

J. Hu, X. Zeng, G. Wang, B. Qian, Y. Liu, X. Hu, B. He, L. Zhang, X. Zhang, Modulating mesoporous Co3O4 hollow nanospheres with oxygen vacancies for highly efficient peroxymonosulfate activation, Chem. Eng. J. 400 125869 (2020); https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125869.

M. Liaskovska, T. Tatarchuk, V. Kotsyubynsky, Green Synthesis of Cobalt–Zinc Ferrites and Their Activity in Dye Elimination via Adsorption and Catalytic Wet Peroxide Oxidation, Metals (Basel). 15 (2025); https://doi.org/10.3390/met15010044.

J. Kim, B.B. Sarma, E. Andrés, N. Pfänder, P. Concepción, G. Prieto, Surface Lewis Acidity of Periphery Oxide Species as a General Kinetic Descriptor for CO2 Hydrogenation to Methanol on Supported Copper Nanoparticles, ACS Catal. 9, 10409 (2019); https://doi.org/10.1021/acscatal.9b02412.

A. Zecchina, C. Lamberti, S. Bordiga, Surface acidity and basicity: General concepts, Catal. Today. 41, 169 (1998). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0920-5861(98)00047-9.