Vodik i platina vole se jako. Za tu čudnu ljubav saznaje svaki student kemije (a bit će i koji drugi zaljubljenik u formule, aparature i kemikalije) kad prvi put čuje za vodikovu elektrodu. Danas se ta sprava rijetko, da ne kažem nikad, ne viđa u labotoriju, pa ipak se prema njoj sve mjeri – jer upravo je napon te elektrode primarni („zlatni“) standard pH-ljestvice. Kako se od vodika može napraviti elektroda, kako se može napraviti elektroda od plina? Ili, da pitamo na drugi način, kako se jedan plin – i to najlakši od svih plinova – može pretvoriti u krutinu, u metal?

Može, može – zahvaljujući platini. Vodikova elektroda zapravo je elektroda od crne, spužvaste platine preko čije površine neprestano struje mjehurići vodika. Spužvasta platina vodik lako upija (zahvaljujući velikoj površini), a onda s njime stvara neku vrstu legure.

Lijepa priča, koja postaje još ljepša kada se elektrokemijski proces podesi tako da se na platinskim elektrodama stvara električna struja uslijed spajanja vodika s kisikom čime se dobiva svima znana gorivna ćelija na vodik. Lijepa priča, kažem, no ljubav platine prema plinovima (vodiku i kisiku) je skupa.

Gram platine stoji 33 dolara, a kako je platina izuzetno težak metal (gustoće 21,5 g/cm³), kubični centimetar te kemičaru (i ne samo kemičaru) drage kovine stoji više od 700 dolara. Ili, da budem konkretniji, 40 % vrijednosti gorivne ćelije čini vrijednost platine od koje su napravljene njezine elektrode. Zato je razumljiva briga kemičara da taj plemeniti metal u gorivnim ćelijama zamijene nečim drugim, jer bez toga teško da se može zamisliti njihova masovna primjena (koju u vrlo skoroj budućnosti očekujemo).

Jedan takav vrlo uspjeli pokušaj vidimo u najnovijem radu američkih znanstvenika (ili, bolje rečeno, stranih znanstvenika na radu u Sjedinjenim Državama) što je objavljen u časopisu Science pod naslovom „Nonprecious transition metal nitrides as efficient oxygen reduction electrocataysts for alkaline fuel cells“. Naglasak je na jeftinoći (nonprecious) i, što nas malo odmiče od priče o vodiku, o redukciji kisika (oxygen reduction), reakciji u gorivnoj ćeliji o kojoj se manje govori nego o onoj drugoj, oksidaciji vodika. Naime, osim oksidacije vodika na vodikove ione (H₂ → 2H⁺ + 2e^-), odvija se i proces redukcije kisika u hidroksidne ione (O₂ + 2H⁺ + 4e^- → 2OH^-). Prvi se proces događa za anodi, a drugi na katodi.

Taj drugi proces, proces redukcije kisika (oxygen reduction reaction, ORR) je dosta nezgodan kada se hoće izvesti drugom elektrodom osim platinske. Kisik je naime vrlo reaktivan, pa lako oksidira elektrodu i time je čini neupotrebljivom. Usto je reakcija redukcije kisika (ORR) spora zbog slabe električne vodljivosti materijala od kojeg je elektroda načinjena.

Sve je to izbjegnuto zahvaljujući novom postupku u kojem su znanstvenici nanosili čestice nitrida prijelaznih metala na mnogo veće čestice ugljika. Riječ je bila o nitridima prvih sedam prijelaznih elemenata treće periode periodnog sustava (od titanija do nikla), no najboljim se – i sasvim prikladnim za komercijalnu upotrebu – pokazao kobaltov nitrid, Co₃N, ili, preciznije, elektroda tipa Co₃N/C.

Tajna novog materijala za izradu kisikove elektrode je u činjenici da kobaltov nitrid dobro provodi električnu struju (pa se time smanjuju gubitci uslijed omskog otpora ćelije), a usto nekoliko nanometara debela oksidna kora, koja se stvara na čestici uslijed reakcije s kisikom, štiti česticu od daljnje oksidacije, baš kao što tanki sloj aluminijeva oksida štiti aluminij od korozije.

Problem za sebe je što na kisikovoj elektrodi može doći i do stvaranja vodikova peroksida, H₂O₂, što smanjuje efikasnost elektrode, a time i gorivne ćelije. Mjerenja su međutim pokazala da ta parazitska reakcija kod elektrode Co₃N/C troši 8 % energije, što nije mnogo više nego kod klasične, Pt/C elektrode (3-4 %).

Koliko je dobra nova elektroda najbolje pokazuje podatak da se njome može postići gustoća snage od 0,7 W/cm², drugim riječima da bi kvadratni metar takve elektrode mogao davati zamjetnu snagu od 7 kW. Elektrodom se usto mogu postići naponi do 1 V. I što još? Ima mnogo toga „još“, jer novom je elektrodom riješeno samo pola problema, budući da za anodu, elektrodu na kojoj se troši vodik, još nije pronađena prava zamjena za platinu. No rješenje pola problema znači 20 % jeftiniju ćeliju.

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. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. 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.