Ima nekih tema koje se među kemičarima, „u kuloarima“ pričaju, tema koje svima zvone u ušima, a nitko pravo ne zna tko se njima bavi i bavi li se uopće. Jedna od tih tema na rubu kemijske znanosti je i prozor, točnije rečeno prozorsko staklo koje neće trebati prati. Sve što na njega padne pretvorit će se u nešto drugo, u nešto što će ili ispariti sa stakla ili će ga prva kiša isprati. Kako je to moguće?

Moguće je, moguće ako bi se staklo prekrilo slojem fotokatalizatora, tvari koja bi djelovanjem Sunčeva zračenja omogućila prijenos elektrona s organske tvari na molekule kisika. Drugim riječima ugljik u organskoj tvari bi se oksidirao, a kisik (O₂) bi se reducirao (da se malo prisjetimo što smo u školi učili o redoks reakcijama). To znači da bi od (organske) prljavštine, zraka i sunca nastajao ugljikov dioksid i voda, jer organski spojevi osim ugljika sadržavaju i vodik. Najpoznatiji takmac za „prozore snova“ je titanijev dioksid, TiO₂. Kažem to zato jer se na tom kemijskom spoju najviše radilo, no istraživali su se i mnogi drugi. Jedan od njih je ugljikov nitrid grafitne strukture, kemijski spoj formule (C₃N₄)_n, poznat pod kraticom gC₃N₄ (ovdje slovo g stoji, jasno je, za grafit).

No evo novosti! Indijski znanstvenici uspjeli su povećati katalitičku aktivnost gC₃N₄ čak 20 puta! Rezultate istraživanja objavili su krajem prošle godine u časopisu Journal of Photochemistry and Photobiology pod naslovom „High surface area nanoflakes of P-gC₃N₄ photocatalyst loaded with Ag nanoparticle with intraplanar and interplanar charge separation for environmental remediation“. Naslov nije bez veze tako dug, jer ako ga se pažljivo pročita može se iz njega sasvim lijepo vidjeti što su i zašto znanstvenici napravili ono što su napravili. Fotokatalizator se nalazi u obliku nanopahuljica („nanoflakes“, NF), a usto je dopiran fosforom („P-gC₃N₄“) te napunjen nanočesticama srebra („loaded with Ag nanoparticle“). Uslijed toga se promijenila geometrija molekule, što je dovelo do većeg razdvajanja naboja u ravnini („intraplanar“) i između ravnina („interplanar“) ugljikova nitrida. Zadnje riječi iz naslova, „for environmental remediation“, kazuju nam da nova tvar po svojoj prilici neće služiti za (ne)pranje prozora, nego za remedijaciju (uklanjanje) nepoželjinih tvari iz okoliša, recimo za pročišćavanje vode.

No zaronimo malo dublje. Ugljikov nitrid grafitne strukture, gC₃N₄, jednostavno je proizvesti: treba zagrijati melamin, C₃N₆H₆, na temperaturu od 550 ^oC. Na toj se temperaturi malamin polimerizira u polimer (C₃N₄)_n lisnate strukture, sličnu grafitu. No ako se melamin zagrijava na nešto višoj temperaturi (650 ^oC) dobiva se gC₃N₄ u obliku nanolistova (nanosheet, NS) koji se djelovanjem ultrazvuka lome na nanopahuljice (nanoflake, NF), veličine manje od 100 nm. Time se postiže povećanje specifične površine („high surface area“ iz naslova rada), a sa specifičnom površinom raste i katalitička aktivnost. Dok sirovi (bulk) gG₃N₄ ima specifičnu površinu 12 m²/g, specifična površina NS-gG₃N₄ iznosi 90 m²/g, a NF-gG₃N₄ 107 m²/g. No ako se neki atomi dušika zamijene fosforom, i tako nastane P-gG₃N₄, specifična površina za oblik NF dosiže 187 m²/g. Dodavanjem srebra, koje se smješta u rupe na slojevima P-gG₃N₄, dobiva se produkt Ag-P1-NF-gG₃N₄ specifične površine od čak 196 m²/g. Tako smo, eto, došli od kupaonice (12 m²) do obiteljske kuće (196 m²) u gramu ugljikova nitrida.

Sve se to događa zato što su atomi fosfora i srebra veći od atoma ugljika i dušika, pa povećavaju udaljenosti između nanopahuljica. No fosfor širi i područje apsorpcije svjetlosti – novi fotokatalizator može iskoristiti energiju zračenja u području valnih duljina od 450 do 750 nm, a to znači u cijelom vidljivom spektru. Ioni srebra (Ag⁺) prihvaćaju pak elektrone s molekule P-gG₃N₄ te ih prenose na molekule kisika, čime se povećava brzina reakcije. U novom su fotokatalizatoru, jednostavno govoreći, sjedinjene tri kemijske inovacije: lomljenje nanolistova gG₃N₄ na nanopahuljice, dopiranje fosforom i vezivanje srebra.

U usporedbi sa sirovim gC₃N₄ novi katalizator ubrzava 17 puta reakciju oksidacije para-nitrofenola i 20 puta reakciju razgradnje rodamina. Drugim riječima, u pokusu kojeg su proveli indijski znanstvenici prva je tvar razgrađena nakon 120, a druga nakon 80 minuta izlaganja svjetlosti uz, dakako, dodatak novog fotokatalizatora. Možemo očekivati da će se Ag-P1-NF-gG₃N₄ pokazati podjednako uspješnim i za uklanjanje drugih onečišćivaća pa se u skoroj budućnosti možemo nadati još jednoj upotrebi Sunčeve energije – za pročišćavanje vode.  

Nenad Raos 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.