如何开发仿生催化剂
VictorMougel是大自然的忠实粉丝，不仅因为他在农场长大，与妻子和孩子在户外度过了很多时间，有时还骑着公路自行车在瑞士的山上骑行。他还认为，没有哪个化学家能够与自然相媲美。
“大自然能够以最有效的方式进行极具挑战性的反应，这是令人惊叹的灵感来源，”助理教授兴奋地说。他在苏黎世联邦理工学院的团队从各种规模的自然系统中汲取灵感：复制生物体的宏观形状，同时也在微观和分子水平上模仿自然系统，特别关注酶。这些高效的天然催化剂驱动自然界中的多种反应。
从30亿年的进化中学习
催化是使用某些分子(催化剂)加速反应从而转化物质的过程。
“与自然相反，化学家经常使用稀有金属作为催化剂，这是全球范围内不可持续的工艺来源，”穆格尔解释道。目前，大多数化学生产原料均来自化石资源，带来了环境挑战，包括二氧化碳和硝酸盐积累的问题。电化学是可持续地转化这些麻烦分子的一个有吸引力的选择。
“这种方法的一个关键要素是设计新的电催化剂，使这种转变具有高活性和选择性，并且为了可持续性，只使用地球上丰富的元素，”他说。
在这里，大自然的聪明才智指明了道路：“三十亿年来，大自然一直在开发酶催化剂，以有效地利用丰富的分子，如N2和CO2，这是构建复杂分子和材料的基本化合物，”Mougel热情地说道。“我们可以利用这一点并开发仿生催化剂，帮助解决我们最紧迫的问题。”
创造人造树叶和仿生CO2减排
为了达到这个目的，穆格尔和他的团队采用了两种方法：首先，他们尝试复制酶活性位点的结构;其次，他们尝试复制酶活性位点的结构。其次，它们模仿酶中发现的功能，努力重现这些功能，而不将自身限制于自然界中发现的结构。
例如，作为研究合作的一部分，穆格尔的团队能够生产出人造“叶子”。
“二氧化碳是我们最紧迫的环境问题之一，它是一种稳定的氧化分子，”穆格尔指出。“一种解决方案可能是设计以酶为灵感的催化剂，有效还原CO2(将电子转移到分子)，从而将其转化为有用的产品。人们常常忘记，CO2和一氧化氮不仅仅是废物，而且对环境构成威胁。它们主要是生命的基本组成部分，也是生产有用化学品的重要基础材料。”
这就是人造叶子背后的想法，他解释道：“我们的系统不像天然叶子那样将二氧化碳和水转化为氧气和糖，而是使用阳光作为唯一能源来生产碳氢化合物。”
此外，该小组还开发了用于将CO2还原为甲酸(一种重要的工业化合物)的高效催化剂。为此，该小组模仿了一氧化碳脱氢酶(CODH)的活性位点，其中含有两种金属。
金属氢化物的受控生产
最近，该小组专注于酶系统的一个关键特征：电子转移。在自然界中，电子转移通常由铁硫簇介导。这些簇对于大多数生物体至关重要，参与光合作用、线粒体能量产生和DNA复制等过程。
“它们充当天然电线，在蛋白质结构之间传递电子，同时也参与质子传递和小分子的激活，”穆格尔指出。
他解释说，合成的铁硫簇可以用来设计更好的电催化系统：“例如，我们可以证明，如果我们将已知的用于还原二氧化碳的催化剂与铁硫簇结合起来，我们不仅可以大大增强它们的性能催化活性，而且也彻底改变了它们的选择性。”
该小组证明，这些团簇正在促进所谓的协同质子电子转移(CPET)，其中质子和电子被存储并同时从团簇转移到基板。Mougel和他的团队首次以这种方式成功地以受控方式生产金属氢化物，并利用这种氢化物将CO2转化为甲酸。这是该重要概念的首次实验证明，预计将对电催化产生广泛影响，因为金属氢化物是许多催化转化中的核心中间体。
模仿大自然的电线
这些例子表明，理解自然系统是关键。这就是为什么在Mougel的实验室里，应用和基础研究总是齐头并进。该小组还详细研究了铁硫簇的基本氧化还原特性。
“令人兴奋的是：如果您想将CO2转化为工业上有用的化合物，例如长链碳氢化合物、乙烯或乙烷，则需要多达14个电子还原。然而，所有生物CO2还原酶都仅限于两个Mougel解释说，“但是固氮酶复合物具有带有铁硫簇的铁蛋白，原则上可以绕过这一限制，尽管这在生物系统中不会发生。然而，有一个人工模型来研究这一问题到目前为止，更详细的信息一直缺失。”
Mougel和他的团队首次成功分离和稳定了这种极度还原的铁硫，并最终合成并表征了一系列完整的所有氧化态的所谓铁硫立方烷氧化还原簇。这使得可以对不同的结构和电子特性进行彻底的分析。
在下一步中，该小组能够证明，即使这些簇的环境发生很小的变化，也会对其动力学和氧化还原电位产生重大影响。这使得可以原位和按需产生极端还原电位，从而促进氧化和还原(门控概念)。
由于他的研究，特别是他在铁硫团簇领域的贡献，VictorMougel被授予2023年Ruzicka奖——这一荣誉对他来说意义重大，但正如他强调的那样，他只是将这一荣誉视为代表了很多人的心声。
“我要感谢我的团队，因为最终，如果没有他们的付出，这些研究的成功就不可能实现。我的团队中的人是这项研究背后的驱动力，也是我继续共同建立项目的重要动力。”