To je pokus koji je svatko vidio u školi – a ako (slučajno) nije (jer je markirao) može ga i sam lako izvesti. Dovoljno je da u vodu stavi dvije žice i priključi ih na izvor istosmjerne struje: na negativno nabijenoj elektrodi (katodi) razvijat će se vodik, a na onoj pozitivnoj (anodi) kisik. No kakve žice? 

Kakve žice – to je pravo pitanje. Jer kakva bude elektroda toliko će se i vodika izlučiti. „Gustoća struje nije uvjetovana površinom ploče“, čitam u knjizi o tehnologiji proizvodnje vodika (jer mnogo ovisi i o geometriji).  Pa ipak kada se ukupna jakost struje (10.000 A) podijeli s ukupnom površinom katoda u ćeliji (8 m²) dolazimo do gustoće struje od 0,125 A/cm². O gustoći struje ovisi pak proizvodnja vodika, jer naboj od 96 485 C (As) pretvara jedan mol vodikovih iona u jedan gram elementarnog, plinovitog vodika. Drugim riječima čelična elektroda u uređaju o kojem govorim proizvodi tek pet miligrama vodika na sat po kvadratnom centimetru. Uređaji koji rade pri visokom tlaku mogu postići gustoće struje oko 2 A/cm², no uz iskorištenje od samo 70-80 %.  Može li se napraviti bolji uređaj, bolja elektroda?

U  časopisu Nature Nanotechnology, u broju od travnja ove godine osvanuo je članak pomalo senzacionalističkog naslova:  „Giant photoeffect in proton transport through graphene membranes“ (Gigantski fotoefekt pri  prijenosu protona kroz grafenske membrane). U njemu je skupina znanstvenika iz National Graphene Institute pri Sveučilištu u Manchesteru objavila novu primjenu grafena, materijala zbog kojeg je njihov institut i osnovan.

Grafen je najčudnija no ujedno i najobičnija alotropska modifikacija ugljika. Riječ je naime o jednoatomnom sloju grafita: zamislite tisuće hekasagonskih mreža (poput one na golu koju tresu naši Vatreni) naslagane jedna na drugu pa ćete dobiti strukturu grafita. No odvojite li mreže dobit ćete strukturu molekula grafena. Heksagonska mreža kojoj čvorove čine ugljikovi atomi izuzetno je čvrsta a usto izvandredno dobro vodi električnu struju, elektrone – a kako pokazuju istraživanja opisana u navedenom članku i protone, što je drugo ime za pozitivno nabijene vodikove ione (H⁺), jezgre vodikovih atoma.

No to je tek početak priče. Elektroda koju su osmislili znanstvenici u Manchesteru ima tri sloja. Prvi sloj, okrenut prema anodi napravljen je od polimera Nafiona, koji propušta protone. Na njega je nanesen sloj grafena, a na grafen opet sloj nanočestica platine. Vodik se počinje razvijati pri naponu od 2 V, da bi se pri naponu od 3 V postigle gustoće struje od 2-3 A/cm². To je tako, međutim, samo u mraku. Osvjetli li se pak elektroda postižu se gustoće i do 60 A/cm². Drugim riječima, kvadratni centimetar ove elektrode mogao bi proizvoditi 2,2 grama (ili 25 litara) vodika na sat i to s gotovo stopostotnim iskorištenjem. To je veliko postignuće jer bi moglo omogućiti minijaturizaciju uređaja za proizvodnju vodika. Umjesto osam centimetar debelih čeličnih katoda, svaka površine jednog kvadratnog metra (u uređaju kojeg sam uzeo za primjer), ćelija temeljena na grafenskoj membrani imala bi pri istoj jakosti struje (10.000 A) i, razumije se,  istoj proizvodnji vodika samo jednu elektrodu od 167 cm² (recimo kvadrat dimenzija 13×13 cm). To bi omogućilo proizvodnju vodika praktički na svakom mjestu gdje treba, ali i obimniju proizvodnju teške vode. Teška voda, D₂O,  proizvodi se naime uzastopnom elektrolizom vode, točnije miješanjem vodika s vodenom parom. Pri tome se voda obogaćuje teškim vodikom, deuterijem (D ili ²H). No to nije jedina moguća primjena novih, grafenskih fotoelektroda.

Budući da grafenska elektroda reagira na svjetlost tako da propušta protone, baš kao što fotokatoda reagira na svjetlost propuštajući elektrone, mogla bi se upotrijebiti i kao električna sklopka. Nova elektroda nudi i konstrukciju nove, efiksanije gorivne ćelije budući da se njezin rad temelji na procesu obrnutom od elektrolize: svaki se uređaj za elektrolizu vode može,  u načelu, pretvoriti u gorivnu ćeliju.

 Pri elektrolizi vode električna struja (elektroni) razlaže vodu na vodik i kisik. U gorivnoj  ćeliji se, obratno, vodik i kisik spajaju u vodu pri čemu nastaje električna struja. No kako su odvojeni elektrodama ne mogu se spajati izravno nego tako da prvo vodik elektrodi predavaje elektkrone a kisik ih s elektrode uzima.  Elektroni potom od vodika do kisika putuju žicom pri čemu, jasno, njome teče električna struja. Vodik i kisik pretvaraju se pak u svoje ione (H⁺ i OH^-) koji prolaze kroz elektrode te se spajaju u vodu. Koliko iona može proći toliko će i ćelija biti jaka.

Koliko će biti jaka gorivna ćelija s grafenskom elektrodom? Prerano je o tome govoriti, no ipak. Pokaže li se ta elektroda uspješnom za spajanje vodika i kisika kao i za elektrolizu vode, kvadratni metar elektrode mogao bi proizvoditi struju snage od čak jednog megavata.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951. godine, je kemičar, umirovljeni znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti: napisao je na stotine znanstveno-popularnih članaka, sedam je godina bio glavni urednik Prirode, a sada je urednik rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji. Autor je sedam izložbi u Tehničkom muzeju Nikola Tesla u Zagrebu te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Posljednja knjiga, s temom postanka života na Zemlji napisana je na engleskom jeziku (The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life).