Victor Mougel är ett absolut fan av naturen, inte bara för att han växte upp på en gård, tillbringar mycket tid utomhus med sin fru och sina barn och ibland cyklar upp och ner för schweiziska berg på sin landsvägscykel. Han tror också att ingen kemist kan hålla ett ljus för naturen.
"Naturen kan utföra extremt utmanande reaktioner på det mest effektiva sättet, det är en fantastisk inspirationskälla", säger biträdande professorn entusiasmerande. Hans grupp vid ETH Zürich hämtar inspiration från naturliga system i alla skalor:replikera makroskopiska former av levande organismer men också efterlikna naturliga system på mikro- och molekylnivå, specifikt med fokus på enzymer. Dessa mycket effektiva naturliga katalysatorer driver en mängd reaktioner i naturen.
Katalys är en process där vissa molekyler (katalysatorer) används för att påskynda reaktioner och därmed omvandla ämnen.
"Till skillnad från naturen använder kemister ofta sällsynta metaller som katalysatorer, en ohållbar källa för processer i global skala", förklarar Mougel. De flesta byggstenar för kemisk produktion kommer för närvarande från fossila källor, vilket innebär miljöutmaningar, inklusive den problematiska ackumuleringen av koldioxid och nitrater. Elektrokemi är ett tilltalande alternativ för att på ett hållbart sätt konvertera tillbaka dessa besvärliga molekyler.
"En nyckelkomponent i detta tillvägagångssätt är att designa nya elektrokatalysatorer som möjliggör denna transformation med hög aktivitet och selektivitet, och för hållbarhet, endast använda jordnära element", säger han.
Här visar naturens uppfinningsrikedom vägen:"I över tre miljarder år har naturen utvecklat enzymatiska katalysatorer för att effektivt utnyttja rikliga molekyler som N2 och CO2 , väsentliga föreningar för att konstruera komplexa molekyler och material," säger Mougel entusiastiskt. "Vi kan utnyttja detta och utveckla bioinspirerade katalysatorer som kan hjälpa till att lösa våra mest pressande problem."
Skapa konstgjorda löv och bioinspirerad CO2 minskning
För sitt syfte följer Mougel och hans grupp två tillvägagångssätt:För det första försöker de replikera strukturen hos enzymernas aktiva platser; för det andra imiterar de funktioner som finns i enzymer och strävar efter att reproducera dessa funktioner utan att begränsa sig till strukturer som finns i naturen.
Mougels team kunde till exempel producera ett konstgjort "löv" som en del av ett forskningssamarbete.
"Koldioxid, ett av våra mest pressande miljöproblem, är en stabil, oxiderad molekyl", påpekar Mougel. "En lösning kan vara att designa enzyminspirerade katalysatorer som effektivt minskar CO2 —överföring av elektroner till molekylen — och därmed omvandlar den till användbara produkter. Folk glömmer ofta bort CO2 och kväveoxider är inte bara avfallsprodukter och ett hot mot klimatet. De är i första hand livets grundläggande byggstenar och ett viktigt grundmaterial från vilket användbara kemikalier kan framställas."
Det var tanken bakom det konstgjorda bladet, förklarar han:"Istället för att omvandla koldioxid och vatten till syre och socker som naturliga löv gör, producerar vårt system kolväten med solljus som den enda energikällan."
Dessutom utvecklade gruppen effektiva katalysatorer för att minska CO2 till myrsyra, en viktig industriell förening. För att göra detta efterliknade gruppen det aktiva stället för enzymet kolmonoxiddehydrogenas (CODH), som innehåller två metaller.
Nyligen fokuserade gruppen på en nyckelfunktion hos enzymatiska system:elektronöverföringar. I naturen förmedlas elektronöverföringar vanligtvis av järn-svavelkluster. Dessa kluster är väsentliga för de flesta levande organismer och är involverade i processer som fotosyntes, mitokondriell energiproduktion och DNA-replikation.
"De fungerar som naturliga elektriska ledningar och överför elektroner över proteinstrukturerna, samtidigt som de är involverade i protonöverföringar och i aktiveringen av små molekyler", konstaterar Mougel.
Syntetiska järn-svavelkluster skulle kunna utnyttjas för att designa bättre elektrokatalytiska system, förklarar han:"Vi skulle till exempel kunna bevisa att om vi kombinerar kända katalysatorer för reduktion av koldioxid med järn-svavelkluster, kan vi inte bara kraftigt förbättra deras katalytisk aktivitet, men också helt förändra deras selektivitet."
Gruppen visade att klustren främjar en så kallad samordnad proton-elektronöverföring (CPET), där en proton och en elektron lagras och överförs samtidigt från klustret till ett substrat. Mougel och hans grupp lyckades för första gången producera en metallhydrid på ett kontrollerat sätt på detta sätt och använda denna hydrid för omvandling av CO2 till myrsyra. Detta utgjorde den första experimentella demonstrationen av det viktiga konceptet som förväntas ha breda konsekvenser för elektrokatalys, eftersom metallhydrider är centrala mellanprodukter i många katalytiska transformationer.
Sådana exempel visar att förståelse av naturliga system är nyckeln. Det är därför i Mougels laboratorium går tillämpning och grundforskning alltid hand i hand. Gruppen har också undersökt de grundläggande redoxegenskaperna hos järn-svavelkluster i detalj.
"Det som är spännande är följande:Om du vill konvertera CO2 till industriellt användbara föreningar såsom långkedjiga kolväten, eten eller etan, är upp till 14 elektronreduktioner nödvändiga. Men all biologisk CO2 reduktasenzymer är begränsade till två elektronprocesser," förklarar Mougel, "men nitrogenasenzymkomplexet har ett järnprotein med ett järn-svavelkluster som i princip kan kringgå denna begränsning, även om detta inte förekommer i biologiska system. En konstgjord modell för att studera detta mer i detalj hade dock saknats fram till nu."
Mougel och hans grupp har för första gången lyckats isolera och stabilisera sådant extremt reducerat järn-svavel, och slutligen syntetisera och karakterisera en komplett serie av så kallade järn-svavel-kubanska redoxkluster i alla oxidationstillstånd. Detta möjliggjorde en grundlig analys av de olika strukturella och elektroniska egenskaperna.
I nästa steg kunde gruppen visa att även små förändringar i miljön för dessa kluster kan ha stor inverkan på deras dynamik och redoxpotential. Detta möjliggör generering av extrema reducerande potentialer – så underlättad oxidation och reduktion – på plats och på begäran (gating-koncept).
För sin forskning, i synnerhet för sina bidrag inom området järn-svavelkluster, tilldelas Victor Mougel Ruzicka-priset 2023 – en ära som betyder mycket för honom, men som han – som han betonar – bara accepterar som en representant för många sinnen.
"Jag skulle vilja tacka mitt team, för i slutändan hade ingen av dessa forskningsframgångar varit möjliga utan deras engagemang. Personerna i min grupp är drivkraften bakom denna forskning och en viktig motivation för mig att fortsätta starta projekt tillsammans. "
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av ETH Zürich
