Hvordan man udvikler bio-inspirerede katalysatorer
Victor Mougel er en absolut fan af naturen, ikke kun fordi han voksede op på en gård, tilbringer meget tid udendørs med sin kone og børn og nogle gange kører op og ned af schweiziske bjerge på sin landevejscykel. Han mener også, at ingen kemiker kan holde et lys for naturen.
"Naturen er i stand til at udføre ekstremt udfordrende reaktioner på den mest effektive måde, det er en fantastisk inspirationskilde," siger adjunkten begejstret. Hans gruppe på ETH Zürich henter inspiration fra naturlige systemer i alle skalaer:replikerer makroskopiske former af levende organismer, men efterligner også naturlige systemer på mikro- og molekylært niveau, specifikt med fokus på enzymer. Disse højeffektive naturlige katalysatorer driver en lang række reaktioner i naturen.
Lær af 3 milliarder års evolution
Katalyse er en proces, hvor visse molekyler (katalysatorer) bruges til at accelerere reaktioner og dermed omdanne stoffer.
"I modsætning til naturen bruger kemikere ofte sjældne metaller som katalysatorer, en uholdbar kilde til processer på globalt plan," forklarer Mougel. De fleste byggesten til kemisk produktion stammer i øjeblikket fra fossile kilder, hvilket giver miljømæssige udfordringer, herunder den problematiske akkumulering af kuldioxid og nitrater. Elektrokemi er en tiltalende mulighed for bæredygtigt at konvertere disse besværlige molekyler tilbage.
"Et nøgleelement i denne tilgang er at designe nye elektrokatalysatorer, der muliggør denne transformation med høj aktivitet og selektivitet, og for bæredygtighed kun bruge jordrige elementer," siger han.
Her viser naturens opfindsomhed vejen:"I over tre milliarder år har naturen udviklet enzymatiske katalysatorer til effektivt at udnytte rigelige molekyler som N2 og CO2 , essentielle forbindelser til at konstruere komplekse molekyler og materialer," siger Mougel entusiastisk. "Vi kan udnytte dette og udvikle bioinspirerede katalysatorer, der kan hjælpe med at løse vores mest presserende problemer."
Oprettelse af kunstige blade og bio-inspireret CO2 reduktion
Til hans formål følger Mougel og hans gruppe to tilgange:For det første forsøger de at replikere strukturen af enzymernes aktive steder; for det andet efterligner de funktioner, der findes i enzymer, og stræber efter at reproducere disse funktioner uden at begrænse sig til strukturer, der findes i naturen.
Mougels team var i stand til at producere for eksempel et kunstigt "blad" som en del af et forskningssamarbejde.
"Culdioxid, et af vores mest presserende miljøproblemer, er et stabilt, oxideret molekyle," påpeger Mougel. "En løsning kunne være at designe enzym-inspirerede katalysatorer, der effektivt reducerer CO2 —overføre elektroner til molekylet — og dermed omdanne det til nyttige produkter. Folk glemmer ofte den CO2 og nitrogenoxider er ikke kun affaldsprodukter og en trussel mod klimaet. De er primært livets grundlæggende byggesten og et vigtigt basismateriale, hvorfra nyttige kemikalier kan fremstilles."
Det var ideen bag det kunstige blad, forklarer han:"I stedet for at omdanne kuldioxid og vand til ilt og sukker, som naturlige blade gør, producerer vores system kulbrinter ved hjælp af sollys som den eneste energikilde."
Endvidere udviklede gruppen effektive katalysatorer til reduktion af CO2 til myresyre, en vigtig industriel forbindelse. For at gøre dette efterlignede gruppen det aktive sted for enzymet carbonmonoxiddehydrogenase (CODH), som indeholder to metaller.
Kontrolleret produktion af metalhydrider
For nylig fokuserede gruppen på et nøgletræk ved enzymatiske systemer:elektronoverførsel. I naturen medieres elektronoverførsler typisk af jern-svovlklynger. Disse klynger er essentielle for de fleste levende organismer, idet de er involveret i processer som fotosyntese, mitokondriel energiproduktion og DNA-replikation.
"De fungerer som naturlige elektriske ledninger og overfører elektroner på tværs af proteinstrukturerne, mens de også er involveret i protonoverførsler og i aktiveringen af små molekyler," bemærker Mougel.
Syntetiske jern-svovlklynger kunne udnyttes til at designe bedre elektrokatalytiske systemer, forklarer han:"Vi kunne for eksempel bevise, at hvis vi kombinerer kendte katalysatorer til reduktion af kuldioxid med jern-svovlklynger, kan vi ikke kun forbedre deres katalytisk aktivitet, men også fuldstændig ændre deres selektivitet."
Gruppen demonstrerede, at klyngerne fremmer en såkaldt samordnet proton-elektronoverførsel (CPET), hvor en proton og en elektron lagres og overføres samtidigt fra klyngen til et substrat. Det lykkedes for første gang Mougel og hans gruppe at producere et metalhydrid på en kontrolleret måde på denne måde og bruge dette hydrid til omdannelsen af CO2 til myresyre. Dette udgjorde den første eksperimentelle demonstration af det vigtige koncept, der forventes at have brede implikationer for elektrokatalyse, eftersom metalhydrider er centrale mellemprodukter i mange katalytiske transformationer.
Efterligner naturens elektriske ledninger
Sådanne eksempler viser, at forståelse af naturlige systemer er nøglen. Derfor går anvendelse og grundforskning altid hånd i hånd i Mougels laboratorium. Gruppen har også undersøgt de fundamentale redoxegenskaber af jern-svovlklynger i detaljer.
"Det spændende er følgende:Hvis du vil konvertere CO2 til industrielt anvendelige forbindelser såsom langkædede carbonhydrider, ethylen eller ethan, er op til 14 elektronreduktioner nødvendige. Dog er alt biologisk CO2 reduktase-enzymer er begrænset til to elektronprocesser," forklarer Mougel, "men nitrogenase-enzymkomplekset har et jernprotein med en jern-svovl-klynge, der i princippet kan omgå denne begrænsning, selvom dette ikke forekommer i biologiske systemer. Men en kunstig model til at studere dette mere detaljeret havde manglet indtil nu."
Det er lykkedes Mougel og hans gruppe for første gang at isolere og stabilisere et sådant ekstremt reduceret jern-svovl og til sidst at syntetisere og karakterisere en komplet række af såkaldte jern-svovl-cubanske redox-klynger i alle oxidationstilstande. Dette muliggjorde en grundig analyse af de forskellige strukturelle og elektroniske egenskaber.
I næste trin var gruppen i stand til at vise, at selv små ændringer i miljøet af disse klynger kan have stor indflydelse på deres dynamik og redoxpotentialer. Dette tillader generering af ekstreme reduktionspotentialer - så oxidation og reduktion lettes - in situ og on-demand (gating-koncept).
For sin forskning, især for sine bidrag inden for jern-svovlklynger, tildeles Victor Mougel Ruzicka-prisen i 2023 – en hæder, der betyder meget for ham, men som han – som han understreger – kun accepterer som en repræsentant for mange sind.
"Jeg vil gerne takke mit team, for i sidste ende ville ingen af disse forskningssucceser have været mulige uden deres engagement. Personerne i min gruppe er drivkraften bag denne forskning og en vigtig motivation for mig til at fortsætte med at etablere projekter sammen. "
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af ETH Zürich
Varme artikler
-
Zombie-scanning muliggør undersøgelse af peptid-receptor-interaktioner på celleoverfladenDet bundne toksin (T-HmK) trækkes fri og bindes til en kaliumkanal (blå) udtrykt i cellemembranen. Reaktionsvolumenet, som en T-HmK kan besøge (pil med to hoveder) bestemmes af de kombinerede længder -
Bæredygtig separationsteknologi gør nye applikationer muligeKredit:Hollandsk Organisation for Videnskabelig Forskning (NWO) Membraner er meget brugt til at adskille stoffer fra hinanden, fx ved vandbehandling eller nyredialyse. Membranteknologi sparer ener -
Ny metode benchmarks organiske blandede ledereOECT beskrivelse og betjening. et OECT -tværsnit, ledninger, og dimensioner:kanallængde (L), og tykkelse (d). Kilden, dræne, og port (S, D, G, henholdsvis), og relevante spændinger (gate, afløbsspændi -
Fremstilling af snoede halvledere til 3D-projektionEn smartphone-skærm, der kan producere 3D-billeder, skal kunne vride lyset, den udsender. Nu, forskere ved University of Michigan og Ben-Gurion University i Negev har opdaget en måde at masseproducere