Bovendien ontwikkelde de groep efficiënte katalysatoren voor de reductie van CO₂ tot mierenzuur, een belangrijke industriële verbinding. Om dit te doen bootste de groep de actieve plaats na van het enzym koolmonoxidedehydrogenase (CODH), dat twee metalen bevat.

Gecontroleerde productie van metaalhydriden

Onlangs concentreerde de groep zich op een belangrijk kenmerk van enzymatische systemen:elektronenoverdracht. In de natuur worden elektronenoverdrachten doorgaans gemedieerd door ijzer-zwavelclusters. Deze clusters zijn essentieel voor de meeste levende organismen, omdat ze betrokken zijn bij processen zoals fotosynthese, mitochondriale energieproductie en DNA-replicatie.

"Ze fungeren als natuurlijke elektrische draden en brengen elektronen over de eiwitstructuren over, terwijl ze ook betrokken zijn bij de overdracht van protonen en bij de activering van kleine moleculen", merkt Mougel op.

Synthetische ijzer-zwavelclusters zouden kunnen worden benut om betere elektrokatalytische systemen te ontwerpen, legt hij uit:‘We zouden bijvoorbeeld kunnen bewijzen dat als we bekende katalysatoren voor de reductie van kooldioxide combineren met ijzer-zwavelclusters, we niet alleen hun katalytische activiteit, maar veranderen ook hun selectiviteit volledig."

De groep toonde aan dat de clusters een zogenaamde concerted proton-electron transfer (CPET) bevorderen, waarbij een proton en een elektron gelijktijdig worden opgeslagen en overgedragen van de cluster naar een substraat. Mougel en zijn groep zijn er voor het eerst in geslaagd om op deze manier gecontroleerd een metaalhydride te produceren en dit hydride te gebruiken voor de omzetting van CO₂ aan mierenzuur. Dit vormde de eerste experimentele demonstratie van dat belangrijke concept dat naar verwachting brede implicaties zal hebben voor elektrokatalyse, aangezien metaalhydriden centrale tussenproducten zijn in veel katalytische transformaties.

De elektrische draden van de natuur nabootsen

Dergelijke voorbeelden laten zien dat het begrijpen van natuurlijke systemen van cruciaal belang is. Daarom gaan in het laboratorium van Mougel toepassing en fundamenteel onderzoek altijd hand in hand. De groep heeft ook de fundamentele redox-eigenschappen van ijzer-zwavelclusters in detail onderzocht.

"Wat spannend is, is het volgende:als je CO₂ in industrieel bruikbare verbindingen zoals koolwaterstoffen met lange keten, ethyleen of ethaan, zijn reducties tot 14 elektronen nodig. Wel alle biologische CO₂ reductase-enzymen zijn beperkt tot twee elektronenprocessen”, legt Mougel uit, “maar het stikstofase-enzymcomplex heeft een ijzereiwit met een ijzer-zwavelcluster dat deze beperking in principe kan omzeilen, hoewel dit in biologische systemen niet voorkomt. Een kunstmatig model om dit in meer detail te bestuderen ontbrak tot nu toe echter."

Mougel en zijn groep zijn er voor het eerst in geslaagd dergelijk extreem gereduceerd ijzer-zwavel te isoleren en te stabiliseren, en uiteindelijk een complete reeks zogenaamde ijzer-zwavel cubaanse redoxclusters in alle oxidatietoestanden te synthetiseren en karakteriseren. Dit maakte een grondige analyse van de variërende structurele en elektronische eigenschappen mogelijk.

In de volgende stap kon de groep aantonen dat zelfs kleine veranderingen in de omgeving van deze clusters een grote impact kunnen hebben op hun dynamiek en redoxpotentieel. Dit maakt het mogelijk om extreem reducerende potentiëlen te genereren – waardoor oxidatie en reductie worden gefaciliteerd – in situ en op aanvraag (gating-concept).

Voor zijn onderzoek, en in het bijzonder voor zijn bijdragen op het gebied van ijzer-zwavelclusters, ontvangt Victor Mougel de Ruzicka-prijs 2023 – een eer die veel voor hem betekent, maar die hij – zoals hij benadrukt – slechts als een beloning aanvaardt. vertegenwoordiger van vele geesten.

“Ik wil graag mijn team bedanken, want uiteindelijk zou geen van deze onderzoekssuccessen mogelijk zijn geweest zonder hun inzet. De mensen in mijn groep zijn de drijvende kracht achter dit onderzoek en een belangrijke motivatie voor mij om samen projecten te blijven opzetten. "

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door ETH Zürich