Vodik iz vode i – Sunčeva svjetla

Ima mnogo načina da se dobije vodik, H2, najlakši plin u prirodi – 14 puta lakši od zraka – ali malo je praktičnih. No, što znači „praktično“?  Da bi se proizveo amonijak, NH3,  treba najprije proizvesti vodik, a on se dobiva iz prirodnog (zemnog) plina, metana. Je li to praktično? Da, ako se tvornica nalazi blizu plinovoda i prirodnih izvora metana, kao u Kutini, no proizvodnja vodika iz metana iscrpljuje izvore fosilnih goriva, a pritom se oslobađa ugljikov dioksid, po zlu glasu poznat staklenički plin. Dobivanje vodika elektrolizom vode jednostavo je i ekološki prihvatljivo, no samo ako električna energija potječe iz obnovljivih izvora. Ako dolazi iz termoelektrana, recimo onih na zemni plin, onda…  Zar nije jednostavnije metan izravno pretvarati u vodik?

Vodik se može proizvoditi i reakcijom silicija (točnije ferosilicija, njegove slitine sa željezom) i natrijeve lužine. Grozno. Kome je to samo palo na pamet? Koliko treba potrošiti električne energije i mineralnih sirovina da bi se proizveo ferosilicij (u električnim lučnim pećima) i natrijeva lužina (primjerice elektrolizom otopine kuhinjske soli)! Pa ipak, ta se kemijska reakcija koristila za punjenje izviđačkih balona u Francusko-pruskom ratu 1870. godine. Uz balon je išla i bačva sa smjesom izmrvljenog ferosilicija i granulama natrijeva hidroksida. Trebalo je samo dodati vodu…  Praktično, zar ne?

No dobro, ono o čemu sam sada govorio pripada povijesti kemije i kuriozitetima kemijskog laboratorija. Ono što međutim pripada suvremenim stremljenjima energetike i kemijske tehologije je skratiti put od vode do vodika. Umjesto Sunčeva energija – električna energija – voda – vodik, imamo put Sunčeva energija – voda – vodik. Drugim riječima, voda se ne bi razlagala električnom strujom (elektrolizom) nego izravno Sunčevom svjetlošću.

 Može li se to napraviti, može li svjetlošću rastaviti vodu na vodik i kisik? Odgovor je: može. To je poznata fotokemijska reakcija koja se, djelovanjem ultraljubičastog zračenja, događa u atmosferi Zemlje, no i drugih planeta. No može li se to postići i u tekućoj vodi? Može i to – ali samo uz dobar katalizator.

Takav je katalizator djelo šestorice indijskih kemičara koji su se poveli za prirodnim katalizatorom, hidrogenazom, enzimom koji katalizira redukciju vodikovih iona, H+, na vodik (no i oksidaciju vodika na vodikove ione). U radu „Bio-inspired cobalt catalyst enables natural-sunlight-driven hydrogen production from aerobic natural aqueous solution“, objavljenom početkom godine u časopisu Cell Reports Physical Science, opisali su djelovanje kompleksnog spoja kobalta, sličnog aktivnom centru hidrogenze. Što su napravili? Oduzeli su enzimu ono što im ne treba (proteinski dio), te kemijski modificirali ono što je od enzima ostalo. I što su dobili?

Za katalizator koji bi se primjenjivao za izravno dobivanje vodika iz vode Sunčevom energijom nije dovoljno da razlaže vodu kada se obasja. On treba biti topljiv i stabilan u vodi, treba moći iskoristiti Sunčevo zračenje u cijelom području vidljivog spektra, ne smije mu smetati kisik… Svi su ti uvjeti ispunjeni kod katalizatora indijskih kemičara.

Ali nije jedan nego četiri katalizatora. Znanstvenici su naime ispitali djelovanje četiri derivata spoja prikazanog na slici  koji su se razlikovali po supstituentima X, Y i Z na  imidazolskom prstenu. Sva su četiri derivata pokazala fotokatalitičku aktivnost u smjesi vode i organskog otapala (acetonitrila), ali samo su dva (označena brojevima 2 i 4) bila stabilna i u vodi. Najvažnije je ipak bilo da su  katalizatori bili aktivni i u neutralnoj vodenoj otopini (pH = 7), koja je usto mogla sadržavati kisik, dakle otopljeni zrak. Katalizatori 2 i 4 bili su podjednako aktivni u vodi s otopljenim zrakom, no brzina se kod spoja 4 umalo udvostručila u vodi zasićenoj dušikom, dakle bez kisika. Pripraviti takvu, dušikom zasićenu vodu nije teško. Treba naime vodu prokuhati, a onda u nju – dok se hladi – polako uvoditi dušik. Sve u svemu, jednostano i nadasve jeftino. A to je najvažnije.

Autori članka su napisali kako je spoj 4 već dovoljno dobar da bi se mogao upotrijebiti za komercijalnu proizvodnju vodika. No možda se pronađe i nešto bolje. Iskušani su naime  katalizatori koji su na imidazolskom prstenu, u položajima X, Y, i Z, imali vezane tri funkcijske skupine: -H, -CH2-COOH i  –CH2-CH(NH2)-COOH. Koliko bi se još derivata moglo napraviti! Deset, stotinu, tisuću? Teško je reći, ali u kemiji se sveudilj kombinira, a kemičari se zapravo ne bave drugime nego derivatima ovoga ili onoga. Puno se kemija, pa će se na kraju nešto i iskemijati: jeftin i svakome dostupan katalizator kojim će se proizvoditi vodik iz vode i Sunčeve svjetlosti.

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.