Kada sam pročitao naslov znanstvenog rada, objavljenog u časopisu Molecules, „Molybdenum-modified titanium dioxyde nanotube arrays as an efficient electrode for the electroreduction of nitrate to ammonia“ ništa mi nije bilo jasno. Da kemičar kapitulira pred kemijskom jednadžbama i procesima, e to ne, ali da čovjek upućen u povijest kemije ostaje začuđen, e to može. Ili, može se i tako reći, čovjek zaglavljen u prošlosti može biti zatečen onime što mu donosi vrijeme u kojem živi. „Šok budućnosti“, rekao bi Alen Toffler. O čemu se zapravo radi?

Radi se o tome da su nitrati oduvijek bili dragocjena sirovina za kemijsku industriju. Od kalijeva nitrata, salitre, pravi se crni barut, od natrijeva nitrata (čilske salitre) pravi se – zato što ga ima više – dušična kiselina, a od nje potom sve i sva: eksplozivi (nitroceluloza i TNT), raketna goriva, umjetna gnojiva, pa čak i najlonska vlakna, iako ne izravno (HNO₃ služi kao oksidator u proizvodnji sirovina). Bez dušične kiseline nekoć nije bilo ni sumporne kiseline, jer danas napušteni postupak dobivanja H₂SO₄ u olovnim komorama iziskuje i HNO₃. Zbog svega toga, a posebice zbog proizvodnje eksploziva, njemački su kemičari ulagali sve svoje snage da dobiju dušičnu kiselinu od nečega drugog, dostupnijeg, a ne od nitrata, čilske salitre. Jer iako u pustinji Atacama natrijev nitrat, kao mineral nitratin, leži doslovce na tlu, na površini zemlje, dovoljno je bilo da Engleska uvede pomorsku blokadu pa da se njemačko gospodarstvo, a posebice vojna industrija nađe pred slomom. Gdje je rješenje?

Rješenje je u amonijaku, NH₃. Amonijak se naime može oksidirati u dušičnu kiselinu, izgaranjem na platinskoj mrežici. Amonijak se dobivao kao nusprodukt pri proizvodnji koksa i plina iz kamenog ugljena, a poslije – zahvaljujući Haber-Boschovom postupku – iz zraka, naime izravnim spajanjem elemenata. I eto razloga mog čuđenja: zašto od nedostupnih nitrata proizvoditi amonijak, a ne obratno?

„Tempora mutantur, nos et mutamur in illis“, reče Ciceron. Vremena se mijenjaju i mi se mijenjamo u njima. Nitrati više nisu žuđena sirovina nego opasni polutanti. Ne valja jesti puno šunke, kobasica i drugih suhomesnatih proizvoda jer se oni konzerviraju nitratima, a nitrati su kancerogeni. Prema preporukama Svjetske znanstvene organizacije koncentracija nitrata u vodi za piće ne bi smjela prelaziti granicu od 50 mg/L. Očito ih ima i više, što nije začudno jer nitrati stalno pristižu u podzemne vode prije svega zbog upotrebe umjetnih gnojiva. Pomalo neobično, onečišćenju nitratima pridonose i fosilna goriva, jer se zbog visoke temperature u cilindrima motora dio kisika iz zraka spaja u dušikove okside, od kojih reakcijom s vodom nastaje dušična kiselina.

Ideja koja je vodila autore spomenutog znanstvenog rada je jednostavna: za redukciju nitrata u amonijak upotrijebiti katalizator sličan katalizatoru (enzimu) što ga imaju bakterije za istu svrhu, katalizator na bazi molibdena. I evo ga: to je molibden, dobiven redukcijom smjese molibdenovih oksida (MoO_x) na matrici titanijeva dioksida (Mo/TiO₂). To je naneseno na foliju od titanija – radi vođenja električne struje. Najvažnije je međutim bilo napraviti titanijev oksid velike specifične površine. To je postignuto priređivanjem TiO₂ u oblik nanocjevčica (TiO₂ nanotube array, TNTA), promjera 100 nm. Naknadnim dodatkom molibdenovih oksida (elektrokemijskim postupkom) te njihovom redukcijom vodikom, nastao je kompozitni materijal pogodan za konačnu svrhu – redukciju nitrata u amonijak električnom strujom, elektroredukcijom (za one koji vole kemijske formule: NO₃^- + 9H⁺ + 8e^- → NH₃ + 3H₂O). To bi bila kemija, a tehnologija?

Koliko će se amonijaka dobiti po jediničnoj površini elektrode i, ne manje važno, koliko će se pri tome utrošiti električne energije, ovisi o mnogo čemu, pa je dobar dio spomenutog rada posvećen upravo tom problemu. Najboljom se pokazala elektroda označena kao Mo/TiO₂-M. Ona je na površini jednog kvadratnog centimetra davala 5,18 mg amonijaka na sat uz iskorištenje od 88,05 %. To znači da kvadratni metar takve elektrode može za sat vremena proizvesti 52 grama amonijaka. Mnogo ili malo? Sve ovisi o tome kako se gleda, jer uz proizvodnju amonijaka novi postupak nudi još nešto. On naime štiti okoliš od pogubnog djelovanja nitrata.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.