Organska kemija je kemija ugljikovih spojeva, ali svi ugljikovi spojevi nisu organski spojevi – slažu se sve (mnogobrojne) definicije organske kemije. Zašto neki jesu, a drugi nisu? E, to je već malo teže pitanje, no meni je najjednostavniji, a ujedno i znanstveno najutemeljeniji odgovor da se u organskim spojevima, za razliku od anorganskih, ugljik nalazi u niskom oksidacijskom stanju, da je riječ – kako to kemičari, a posebice geokemičari vole reći – o „reduciranom ugljiku“. No da budem malo jasniji, ugljikov dioksid (CO₂) je, razumije se, ugljikov spoj, ali nije organski spoj, poput metana, CH₄. To je zato što je oksidacijski broj ugljika u CO₂ jednak +4, a u metanu -4. Ili, drugim riječima, oksidacijom metana dobiva se ugljikov dioksid, a redukcijom ugljikova dioksida dobiva se metan, a – uz malo kemijanja – i drugi organski spojevi.

Ništa novo pod suncem: upravo to čine biljke kad pretvaraju CO₂ u šećere, masti, bjelančevine, nukleinske kiseline, alkaloide, terpene, polifenole – i sve organske spojeve koje im trebaju. Stoga nije neobično da se već dugo radi na postupcima kojima bi se ugljikov dioksid mogao reducirati elektrolizom te tako pretvoriti u mnoge korisne produkte. (Redukcija je, prisjetimo se, primanje, a oksidacija otpuštanje elektrona.) No kako postići da CO₂ primi elektrone drugo je pitanje. Kada se otopina ugljikova dioksida reducira, reducira se manje od dva posto CO₂. Stoga se tehnološki postupak za elektrolitičku redukciju ugljikova dioksida jednostavno ne isplati.

No, evo novog svjetla. Kanadski i australski znanstvenici nedavno su objavili u časopisu Science da su uspjeli elektrolizom reducirati 77 % ugljikova dioksida pretvorivši ga u CO₂RR, što je kratica za sve produkte koji pritom nastaju. Pritom su uspjeli iskoristiti više od 50 % uložene energije. Kako je to moguće?

Odgovor nalazimo u naslovu znanstvenog rada, „CO₂ electrolysis to multicarbon products in strong acid (Elektroliza CO₂ u produkte s više ugljikovih atoma u jakoj kiselini)“. Najvažnije u naslovu je izraz „in strong acid“, jer su za razliku od drugih znanstvenika koji su elektrolizirali ugljikov dioksid u lužnatoj otopini, autori rada elektrolizirali CO₂ u kiseloj sredini (pH < 1).

Riječ je o tome da se u lužnatoj otopini ugljikov dioksid nalazi u obliku karbonata, dakle u neaktivnom obliku, pa se pola energije troši samo na prevođenje karbonata u ugljikov dioksid. To je izbjegnuto upravo elektrolizom kisele otopine, u kojoj nema karbonata. I evo rezultata: ako je elektrolit fosforna kiselina kojoj je dodano nešto kalijevih soli, iz ugljikova se dioksida dobivaju organski spojevi s jednim, pa i više ugljikovih atoma. Od onih s jednim ugljikovim atomom tu je ugljikov monoksid (CO) i mravlja kiselina (HCOOH), a među onima s dva atoma je etan (C₂H₄) i etanol (C₂H₅OH). Usto nastaje i kemijski spoj sa tri ugljikova atoma, propanol (C₃H₇OH).

Kao i u svakom tehnološkom postupku uspjeh ovisi o mnogo faktora, da ne kažem sitnica, poput površine katode, brzine protoka elektrolita kroz ćeliju i gustoće struje. Površina bakrene katode presvučena je slojem za povećavanje koncentracije kationa (cation-augmenting layer, CAL). To je zapravo kationski izmjenjivač koji prema katodi propušta kalijeve, a zadržava vodikove ione kako se ne bi  izlučivao vodik. Drugi faktor je gustoća struje (400 – 1500 mA/cm²). O njoj ne ovisi samo iskorištenje postupka (Faraday efficiency, FE) nego i sastav proizvoda: pri niskim gustoćama struje nastaje više spojeva s jednim, a pri višim gustoćama nastaje više produkata sa dva i više ugljikovih atoma.

Sve u svemu vrlo uspješan tehnološki postupak kojim će se za koju godinu, nadajmo se, ugljikov dioksid pretvariti u sirovine za kemijsku industriju. Sve u svemu nova nada za naš pregrijani planet: pokaže li uspješnim i u praksi, postupak kanadskih i australskih znanstvenika bit će još jedna tehnologija s nultom, pravo rečeno s negativnom emisijom ugljikova dioksida.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.