Kada sam bio jako mlad, tek počeo ići u gimnaziju, jako me se dojmila knjiga njemačkog kemičara Hermanna Römppa sasvim kratkog naslova: Kemija budućnosti. I što kaže? Kaže da se danas nalazimo u dobu željeza i ugljena,  karfe-dobu (od lat. carbo – ugljen i ferrum – željezo) no da uskoro nastupa era lakih metala, slitina magnezija i aluminija, magal-doba. Reklo bi se da je u pravu, jer smo sredinom prošloga stoljeća, bit će kao posljedica masovne ratne proizvodnje zrakoplova,  bili obasuti aluminijskim proizvodima: od aluminijskih lonaca, tanjura i žlica do aluminijskih prozora, fasadnih ploča i čamaca. Jesmo li i danas u magal-dobu? Teško, jer aluminij, i općenito kovine sve više potiskuju polimerni materijali, od polietilenske ambalaže do poliamidnog (najlonskog) tekstila i, u najnovije doba, ugljičnih vlakana. Ovo posljednje, polimeri (bilo prirodni, bilo umjetni) sastoje se od samo četiri kemijska elementa: ugljika, vodika, kisika i dušika. Gdje ima tih elemenata? U vodi (vodik i kisik) i zraku – u kojem se kisik i dušik nalaze u slobodnom, elementarnom stanju, a ugljik u vezanom (CO₂). Očekuje li nas dakle nakon magal-doba novo, akvaer-doba (lat. aqua – voda i aer – zrak)?

Zamisao da se dušik iz zraka, za proizvodnju umjetnih gnojiva i eksploziva, pretvori u industrijsku sirovinu san je kemije 19. stoljeća, koji  se – nakon nekoliko ne baš uspjelih tehnoloških rješenja – na kraju, početkom 20. stoljeća,  obistinio u postupaku za dobivanje amonijaka, NH₃,  izravnim spajanjem dušika i vodika (Haber-Boschov postupak). Taj danas uobičajeni postupak za dobivanje amonijaka, kojim se taj plin proizvodi diljem svijeta (pa i u našoj Kutini), odvija se pri ekstremnim uvjetima, tlaku od 150-350 bara i temperaturi 400-600 ^oC  -  a to (visok tlak i temperatura) je nešto što kemijska tehnologija nastoji koliko god je moguće izbjeći. Procjenjuje se da se na Haber-Boschov postupak troši 1,6 % svjetske energije uz 3 % svjetske emisije ugljikova dioksida.

No umjesto pri visokom tlaku i temperaturi dušik i vodik se mogu spajati i na normalnoj, sobnoj temperaturi i isto tako normalnom, atmosferskom tlaku. Kako? Riječ je o reakciji elektrokatalitičke redukcije dušika (N₂ reduction reaction, NRR), naime postupku da se na katodi pri elektrolizi vode dobiva amonijak - spajanjem vodika i u vodi otopljenog dušika. No za postići nešto takvo treba napraviti elektrodu od prikladnog materijala, katalizatora. Nakon pokusa s elektrodama od teških metala, rutenija, zlata i molibdena, kineski su znanstvenici nedavno objavili kako  su napravili elektrodu od poluvodičkog materijala, grafena s primjesama bora. Da budem jasniji, dodatkom 6,2 % bora grafenu nastaje katalizator koji pri naponu elektrode od samo -0,5 V spaja dušik i vodik u amonijak (elektrolit: 0,05 M H₂SO₄ zasićena dušikom). Novi  tehnološki postupak?  Ne još, samo dobar put do njega. Naime, kvadratni metar elektrode u sat vremena proizvodi samo 0,1 gram amonijaka, jer se na sintezu NH₃ troši samo 10 % električne energije, tj. elektroda radi s 10 %-tnom faradejskom djelotvornošću (faradeic efficiency, FE). Usto nastaje i nešto hidrazina, N₂H₄, koji se upotrebljava kao raketno gorivo, u proizvodnji eksploziva, tekstila i slično. Toliko o dušiku. A što je s ugljikom?

Druga se sirovina kemije budućnosti, ugljikov dioksid, također nalazi u zraku ali mnogo manje od dušika (u zraku ima 78 % N₂, a samo 0,04 % CO₂) – no riječ je zapravo o istom  kemijskom postupku.  I ugljikov se dioksid naime može elektrokemijski reducirati  i tako pretvorati u vrijedne kemijske proizvode. Kemijski spojevi sa samo jednim ugljikovim atomom -  ugljikov monoksid, metan i metanska (mravlja) kiselina - mogu se dobivati uz vrijednost parametra FE od gotovo  100 %, dok oni s dva ugljikova atoma - eten, etanol, etanska (octena) kiselina – imaju znatno niži FE, oko 60 %.  Mogu se dobivati i proizvodi s tri ugljikova atoma (propanol), no uz FE = 10 %. Cijena?

Budućnost je budućnost, no kako pokazuju procjene proizvodnih troškova kemikalije dobivene elektrokemijskim postupkom iz vode i ugljikova dioksida  mogle bi lako konkurirati onima koje se danas proizvode drugim tehnologijama.  Zapravo bi jedino elektrokemijski dobiven metan bio skuplji (800 nasuprot 200 dolara po toni) – što nas ne treba čuditi jer nam metan dolazi iz zemlje, kao zemni (prirodni) plin. Elekrokemijska proizvodnja etilen-glikola (koji se koristi kao antifriz) bila bi  umnogome jeftinija, a treba uočiti i isplativost elektrokemijskog dobivanja etilena (etena), sirovine za polietilen.

I što na kraju reći? Evo nam nove zelene tehnologije, tehnologije koja ne onečišćuje okoliš, a  usto koristi obnovljive sirovine (zrak, vodu) uz  možebitnu upotrebu obnovljivih izvora energije. Kemijska industrija temeljena na vodi, zraku i Sunčevoj svjetlosti? Čini li vam se to odnekud poznato? Pa naravno, to smo već vidjeli u prirodi: svi prirodni spojevi nastali su, u konačnici, fotosintezom od ugljikova i vodikova oksida, drugim riječima od zraka, vode i Sunčeve svjetlosti.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika. Sada piše za mrežne stranice  Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator i urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.