Victor Mougel é um fã absoluto da natureza, não só porque cresceu numa quinta, passa muito tempo ao ar livre com a mulher e os filhos e, por vezes, sobe e desce as montanhas suíças na sua bicicleta de estrada. Ele também acredita que nenhum químico se compara à natureza.



“A natureza é capaz de realizar reações extremamente desafiadoras da maneira mais eficiente, é uma fonte incrível de inspiração”, entusiasma-se o professor assistente. Seu grupo na ETH Zurich se inspira em sistemas naturais em todas as escalas:replicando formas macroscópicas de organismos vivos, mas também imitando sistemas naturais em nível micro e molecular, com foco específico em enzimas. Esses catalisadores naturais altamente eficientes conduzem uma infinidade de reações na natureza.

Aprendendo com 3 bilhões de anos de evolução

Catálise é um processo no qual certas moléculas (catalisadores) são usadas para acelerar reações e assim transformar substâncias.

“Ao contrário da natureza, os químicos utilizam frequentemente metais raros como catalisadores, uma fonte insustentável para processos à escala global”, explica Mougel. A maioria dos blocos de construção para a produção química deriva atualmente de fontes fósseis, apresentando desafios ambientais, incluindo a acumulação problemática de dióxido de carbono e nitratos. A eletroquímica é uma opção atraente para converter de forma sustentável essas moléculas problemáticas.

“Um elemento-chave desta abordagem é projetar novos eletrocatalisadores que possibilitem essa transformação com alta atividade e seletividade e, para sustentabilidade, utilizem apenas elementos abundantes em terra”, afirma.

Aqui, a engenhosidade da natureza mostra o caminho:"Por mais de três bilhões de anos, a natureza vem desenvolvendo catalisadores enzimáticos para utilizar eficientemente moléculas abundantes como o N₂ e CO₂ , compostos essenciais para a construção de moléculas e materiais complexos", afirma Mougel com entusiasmo. "Podemos explorar isso e desenvolver catalisadores de inspiração biológica que podem ajudar a resolver nossos problemas mais urgentes."

Criando folhas artificiais e CO de inspiração biológica₂ redução

Para isso, Mougel e seu grupo seguem duas abordagens:primeiro, tentam replicar a estrutura dos sítios ativos das enzimas; segundo, imitam funções encontradas em enzimas, esforçando-se por reproduzir essas funções sem se limitarem às estruturas encontradas na natureza.

A equipe de Mougel conseguiu produzir, por exemplo, uma “folha” artificial como parte de uma colaboração de pesquisa.

“O dióxido de carbono, um dos nossos problemas ambientais mais prementes, é uma molécula estável e oxidada”, salienta Mougel. "Uma solução poderia ser projetar catalisadores inspirados em enzimas que reduzam eficientemente o CO₂ — transferindo elétrons para a molécula — e assim convertê-la em produtos úteis. As pessoas muitas vezes esquecem que o CO₂ e os óxidos nítricos não são apenas resíduos e uma ameaça para o clima. Eles são principalmente os blocos básicos de construção da vida e um material de base importante a partir do qual produtos químicos úteis podem ser produzidos”.

Essa foi a ideia por trás da folha artificial, explica ele:“Em vez de converter dióxido de carbono e água em oxigênio e açúcar, como fazem as folhas naturais, nosso sistema produz hidrocarbonetos usando a luz solar como única fonte de energia”.

Além disso, o grupo desenvolveu catalisadores eficientes para a redução de CO₂ ao ácido fórmico, um importante composto industrial. Para isso, o grupo imitou o sítio ativo da enzima monóxido de carbono desidrogenase (CODH), que contém dois metais.

Produção controlada de hidretos metálicos

Recentemente, o grupo se concentrou em uma característica fundamental dos sistemas enzimáticos:as transferências de elétrons. Na natureza, as transferências de elétrons são normalmente mediadas por aglomerados de ferro-enxofre. Esses aglomerados são essenciais para a maioria dos organismos vivos, estando envolvidos em processos como fotossíntese, produção de energia mitocondrial e replicação de DNA.

“Eles agem como fios elétricos naturais e transferem elétrons através das estruturas proteicas, ao mesmo tempo que estão envolvidos na transferência de prótons e na ativação de pequenas moléculas”, observa Mougel.

Os aglomerados sintéticos de ferro-enxofre poderiam ser explorados para projetar melhores sistemas eletrocatalíticos, explica ele:"Poderíamos provar, por exemplo, que se combinarmos catalisadores conhecidos para a redução de dióxido de carbono com aglomerados de ferro-enxofre, poderíamos não apenas melhorar fortemente a sua atividade catalítica, mas também alteram completamente sua seletividade."

O grupo demonstrou que os aglomerados estão promovendo a chamada transferência concertada próton-elétron (CPET), onde um próton e um elétron são armazenados e transferidos simultaneamente do aglomerado para um substrato. Mougel e seu grupo conseguiram pela primeira vez produzir um hidreto metálico de maneira controlada e usar esse hidreto para a conversão de CO₂ ao ácido fórmico. Esta constituiu a primeira demonstração experimental desse importante conceito que deverá ter amplas implicações para a eletrocatálise, uma vez que os hidretos metálicos são intermediários centrais em muitas transformações catalíticas.

Imitando os fios elétricos da natureza

Tais exemplos mostram que a compreensão dos sistemas naturais é fundamental. É por isso que no laboratório de Mougel a aplicação e a pesquisa básica andam sempre de mãos dadas. O grupo também investigou detalhadamente as propriedades redox fundamentais dos aglomerados de ferro-enxofre.

"O que é interessante é o seguinte:se você quiser converter CO₂ em compostos industrialmente úteis, como hidrocarbonetos de cadeia longa, etileno ou etano, são necessárias reduções de até 14 elétrons. No entanto, todo CO₂ biológico as enzimas redutase estão restritas a dois processos eletrônicos”, explica Mougel, “mas o complexo enzimático da nitrogenase possui uma proteína de ferro com um aglomerado de ferro-enxofre que pode, em princípio, contornar essa limitação, embora isso não ocorra em sistemas biológicos. No entanto, faltava até agora um modelo artificial para estudar isto com mais detalhes."

Mougel e seu grupo conseguiram pela primeira vez isolar e estabilizar esse ferro-enxofre extremamente reduzido e, finalmente, sintetizar e caracterizar uma série completa dos chamados aglomerados redox cubanos de ferro-enxofre em todos os estados de oxidação. Isso permitiu uma análise completa das diversas propriedades estruturais e eletrônicas.

Na etapa seguinte, o grupo conseguiu mostrar que mesmo pequenas mudanças no ambiente desses clusters podem ter um grande impacto na sua dinâmica e potenciais redox. Isso permite a geração de potenciais de redução extremos – oxidação e redução facilitadas – in situ e sob demanda (conceito de gating).

Pela sua investigação, em particular pelas suas contribuições no campo dos aglomerados de ferro-enxofre, Victor Mougel está a receber o Prémio Ruzicka 2023 – uma honra que significa muito para ele, mas que – como ele sublinha – está a aceitar apenas como um prémio. representante de muitas mentes.

“Gostaria de agradecer à minha equipa, porque, em última análise, nenhum destes sucessos de investigação teria sido possível sem o seu empenho. As pessoas do meu grupo são a força motriz desta investigação e uma motivação importante para que eu continue a montar projetos em conjunto. "

Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido por ETH Zurique