Victor Mougel è un assoluto fan della natura, non solo perché è cresciuto in una fattoria, trascorre molto tempo all'aria aperta con moglie e figli e talvolta pedala su e giù per le montagne svizzere con la sua bici da strada. Crede inoltre che nessun chimico possa reggere il confronto con la natura.
"La natura è in grado di realizzare reazioni estremamente impegnative nel modo più efficiente, è una straordinaria fonte di ispirazione", afferma entusiasta l'assistente professore. Il suo gruppo all'ETH di Zurigo trae ispirazione dai sistemi naturali su tutte le scale:replicando forme macroscopiche di organismi viventi ma anche imitando i sistemi naturali a livello micro e molecolare, concentrandosi in particolare sugli enzimi. Questi catalizzatori naturali altamente efficienti guidano una moltitudine di reazioni in natura.
La catalisi è un processo in cui determinate molecole (catalizzatori) vengono utilizzate per accelerare le reazioni e quindi trasformare le sostanze.
"Contrariamente alla natura, i chimici spesso utilizzano metalli rari come catalizzatori, una fonte insostenibile per processi su scala globale", spiega Mougel. La maggior parte degli elementi costitutivi della produzione chimica derivano attualmente da fonti fossili, il che presenta sfide ambientali, compreso il problematico accumulo di anidride carbonica e nitrati. L'elettrochimica è un'opzione interessante per riconvertire in modo sostenibile queste molecole problematiche.
"Un elemento chiave di questo approccio è la progettazione di nuovi elettrocatalizzatori che consentano questa trasformazione con elevata attività e selettività e, per la sostenibilità, utilizzano solo elementi abbondanti sulla terra", afferma.
Qui, l'ingegno della natura mostra la strada:"Per oltre tre miliardi di anni, la natura ha sviluppato catalizzatori enzimatici per utilizzare in modo efficiente molecole abbondanti come N2 e CO2 , composti essenziali per costruire molecole e materiali complessi", afferma Mougel con entusiasmo. "Possiamo sfruttare questo e sviluppare catalizzatori bio-ispirati che possono aiutare a risolvere i nostri problemi più urgenti."
Creazione di foglie artificiali e CO2 di ispirazione bio riduzione
Per raggiungere il suo scopo, Mougel e il suo gruppo seguono due approcci:in primo luogo, cercano di replicare la struttura dei siti attivi degli enzimi; in secondo luogo, imitano le funzioni presenti negli enzimi, cercando di riprodurre queste funzioni senza limitarsi alle strutture presenti in natura.
Il team di Mougel è riuscito a produrre, ad esempio, una "foglia" artificiale come parte di una collaborazione di ricerca.
"L'anidride carbonica, uno dei nostri problemi ambientali più urgenti, è una molecola stabile e ossidata", sottolinea Mougel. "Una soluzione potrebbe essere quella di progettare catalizzatori ispirati agli enzimi che riducano in modo efficiente la CO2 -trasferire elettroni alla molecola -e quindi convertirla in prodotti utili. Spesso le persone dimenticano che la CO2 e gli ossidi di azoto non sono solo prodotti di scarto e una minaccia per il clima. Sono principalmente gli elementi costitutivi fondamentali della vita e un importante materiale di base da cui è possibile produrre sostanze chimiche utili."
Questa era l'idea alla base della foglia artificiale, spiega:"Invece di convertire l'anidride carbonica e l'acqua in ossigeno e zucchero come fanno le foglie naturali, il nostro sistema produce idrocarburi utilizzando la luce solare come unica fonte di energia."
Inoltre, il gruppo ha sviluppato catalizzatori efficienti per la riduzione di CO2 all'acido formico, un importante composto industriale. Per fare ciò, il gruppo ha imitato il sito attivo dell'enzima monossido di carbonio deidrogenasi (CODH), che contiene due metalli.
Recentemente, il gruppo si è concentrato su una caratteristica chiave dei sistemi enzimatici:i trasferimenti di elettroni. In natura, i trasferimenti di elettroni sono tipicamente mediati da cluster ferro-zolfo. Questi cluster sono essenziali per la maggior parte degli organismi viventi, essendo coinvolti in processi come la fotosintesi, la produzione di energia mitocondriale e la replicazione del DNA.
"Agiscono come cavi elettrici naturali e trasferiscono gli elettroni attraverso le strutture proteiche, oltre a essere coinvolti nei trasferimenti di protoni e nell'attivazione di piccole molecole", osserva Mougel.
I cluster sintetici ferro-zolfo potrebbero essere sfruttati per progettare sistemi elettrocatalitici migliori, spiega:"Potremmo dimostrare, ad esempio, che se combiniamo catalizzatori noti per la riduzione del biossido di carbonio con cluster ferro-zolfo, potremmo non solo potenziare fortemente la loro attività catalitica, ma cambiano anche completamente la loro selettività."
Il gruppo ha dimostrato che i cluster promuovono il cosiddetto trasferimento concertato protone-elettrone (CPET), in cui un protone e un elettrone vengono immagazzinati e trasferiti simultaneamente dal cluster a un substrato. Mougel e il suo gruppo sono riusciti per la prima volta a produrre in questo modo un idruro metallico in modo controllato e a utilizzare questo idruro per la conversione di CO2 all'acido formico. Ciò ha costituito la prima dimostrazione sperimentale di quell'importante concetto che si prevede avrà ampie implicazioni per l'elettrocatalisi, poiché gli idruri metallici sono intermedi centrali in molte trasformazioni catalitiche.
Tali esempi dimostrano che comprendere i sistemi naturali è fondamentale. Ecco perché nel laboratorio di Mougel l'applicazione e la ricerca di base vanno sempre di pari passo. Il gruppo ha anche studiato in dettaglio le proprietà redox fondamentali dei cluster ferro-zolfo.
"La cosa interessante è la seguente:se vuoi convertire la CO2 in composti industrialmente utili come idrocarburi a catena lunga, etilene o etano, sono necessarie fino a 14 riduzioni di elettroni. Tuttavia, tutta la CO2 biologica Gli enzimi reduttasi sono limitati a due processi elettronici," spiega Mougel, "ma il complesso enzimatico della nitratosi ha una proteina di ferro con un cluster ferro-zolfo che, in linea di principio, può aggirare questa limitazione, sebbene ciò non si verifichi nei sistemi biologici. Finora però mancava un modello artificiale per studiare questo in modo più dettagliato."
Mougel e il suo gruppo sono riusciti per la prima volta a isolare e stabilizzare questo ferro-zolfo estremamente ridotto, e infine a sintetizzare e caratterizzare una serie completa dei cosiddetti cluster redox cubano ferro-zolfo in tutti gli stati di ossidazione. Ciò ha consentito un'analisi approfondita delle diverse proprietà strutturali ed elettroniche.
Nella fase successiva, il gruppo è stato in grado di dimostrare che anche piccoli cambiamenti nell’ambiente di questi cluster possono avere un impatto notevole sulla loro dinamica e sui potenziali redox. Ciò consente la generazione di potenziali riducenti estremi, quindi ossidazione e riduzione facilitate, in situ e su richiesta (concetto di gating).
Per le sue ricerche, in particolare per i suoi contributi nel campo dei cluster ferro-zolfo, Victor Mougel riceverà il Premio Ruzicka 2023, un onore che significa molto per lui, ma che, come sottolinea, accetta solo come una ricompensa. rappresentativo di molte menti.
"Vorrei ringraziare il mio team perché, in definitiva, nessuno di questi successi della ricerca sarebbe stato possibile senza il loro impegno. Le persone del mio gruppo sono la forza trainante di questa ricerca e una motivazione importante per continuare a creare progetti insieme. "
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito da ETH Zurigo
