Victor Mougel est un amoureux absolu de la nature, non seulement parce qu'il a grandi dans une ferme, qu'il passe beaucoup de temps dehors avec sa femme et ses enfants et qu'il parcourt parfois les montagnes suisses sur son vélo de route. Il croit également qu'aucun chimiste ne peut rivaliser avec la nature.
"La nature est capable de réaliser des réactions extrêmement complexes de la manière la plus efficace possible, c'est une formidable source d'inspiration", s'enthousiasme le professeur assistant. Son groupe à l'ETH Zurich s'inspire des systèmes naturels à toutes les échelles :reproduisant les formes macroscopiques des organismes vivants mais imitant également les systèmes naturels aux niveaux micro et moléculaire, en se concentrant spécifiquement sur les enzymes. Ces catalyseurs naturels très efficaces entraînent une multitude de réactions dans la nature.
La catalyse est un processus dans lequel certaines molécules (catalyseurs) sont utilisées pour accélérer les réactions et ainsi transformer des substances.
"Contrairement à la nature, les chimistes utilisent souvent des métaux rares comme catalyseurs, une source non durable pour les processus à l'échelle mondiale", explique Mougel. La plupart des éléments constitutifs de la production chimique proviennent actuellement de sources fossiles, ce qui présente des défis environnementaux, notamment l’accumulation problématique de dioxyde de carbone et de nitrates. L'électrochimie est une option intéressante pour reconvertir durablement ces molécules gênantes.
"Un élément clé de cette approche est la conception de nouveaux électrocatalyseurs qui permettent cette transformation avec une activité et une sélectivité élevées, et pour la durabilité, n'utilisent que des éléments abondants sur terre", dit-il.
Ici, l'ingéniosité de la nature montre la voie : « Depuis plus de trois milliards d'années, la nature a développé des catalyseurs enzymatiques pour utiliser efficacement des molécules abondantes comme le N2. et CO2 , des composés essentiels à la construction de molécules et de matériaux complexes", déclare Mougel avec enthousiasme. "Nous pouvons exploiter cela et développer des catalyseurs bio-inspirés qui peuvent aider à résoudre nos problèmes les plus urgents."
Création de feuilles artificielles et de CO2 bio-inspiré réduction
Pour cela, Mougel et son groupe suivent deux approches :premièrement, ils tentent de reproduire la structure des sites actifs des enzymes; Deuxièmement, ils imitent les fonctions trouvées dans les enzymes, s'efforçant de reproduire ces fonctions sans se limiter aux structures trouvées dans la nature.
L'équipe de Mougel a pu produire, par exemple, une « feuille » artificielle, dans le cadre d'une collaboration de recherche.
"Le dioxyde de carbone, l'un de nos problèmes environnementaux les plus urgents, est une molécule stable et oxydée", souligne Mougel. "Une solution pourrait consister à concevoir des catalyseurs inspirés des enzymes qui réduisent efficacement le CO2 —transférer des électrons à la molécule—et ainsi la convertir en produits utiles. Les gens oublient souvent que le CO2 et les oxydes d’azote ne sont pas seulement des déchets et une menace pour le climat. Ils constituent avant tout les éléments de base de la vie et un matériau de base important à partir duquel des produits chimiques utiles peuvent être produits. »
C'est l'idée derrière la feuille artificielle, explique-t-il :"Au lieu de convertir le dioxyde de carbone et l'eau en oxygène et en sucre comme le font les feuilles naturelles, notre système produit des hydrocarbures en utilisant la lumière du soleil comme seule source d'énergie."
De plus, le groupe a développé des catalyseurs efficaces pour la réduction du CO2 à l'acide formique, un composé industriel important. Pour ce faire, le groupe a imité le site actif de l'enzyme monoxyde de carbone déshydrogénase (CODH), qui contient deux métaux.
Récemment, le groupe s’est concentré sur une caractéristique clé des systèmes enzymatiques :les transferts d’électrons. Dans la nature, les transferts d’électrons sont généralement assurés par des amas fer-soufre. Ces clusters sont essentiels pour la plupart des organismes vivants, car ils sont impliqués dans des processus tels que la photosynthèse, la production d'énergie mitochondriale et la réplication de l'ADN.
"Ils agissent comme des fils électriques naturels et transfèrent des électrons à travers les structures protéiques, tout en étant également impliqués dans les transferts de protons et dans l'activation de petites molécules", note Mougel.
Les amas synthétiques fer-soufre pourraient être exploités pour concevoir de meilleurs systèmes électrocatalytiques, explique-t-il :« Nous pourrions prouver, par exemple, que si nous combinons des catalyseurs connus pour la réduction du dioxyde de carbone avec des amas fer-soufre, nous pourrions non seulement améliorer fortement leur efficacité. activité catalytique, mais aussi changer complètement leur sélectivité."
Le groupe a démontré que les amas favorisent ce que l’on appelle un transfert proton-électron concerté (CPET), dans lequel un proton et un électron sont stockés et transférés simultanément de l’amas à un substrat. Mougel et son groupe ont réussi pour la première fois à produire de cette manière un hydrure métallique de manière contrôlée et à utiliser cet hydrure pour la conversion du CO2 à l'acide formique. Il s'agit de la première démonstration expérimentale de ce concept important qui devrait avoir de larges implications pour l'électrocatalyse, puisque les hydrures métalliques sont des intermédiaires centraux dans de nombreuses transformations catalytiques.
De tels exemples montrent que la compréhension des systèmes naturels est essentielle. C'est pourquoi dans le laboratoire Mougel, recherche appliquée et recherche fondamentale vont toujours de pair. Le groupe a également étudié en détail les propriétés rédox fondamentales des amas fer-soufre.
"Ce qui est passionnant, c'est ceci :si vous souhaitez convertir le CO2 en composés industriellement utiles tels que les hydrocarbures à longue chaîne, l'éthylène ou l'éthane, jusqu'à 14 réductions électroniques sont nécessaires. Cependant, tout le CO2 biologique Les enzymes réductases sont limitées à deux processus électroniques", explique Mougel, "mais le complexe enzymatique nitrogénase possède une protéine de fer avec un amas fer-soufre qui peut, en principe, contourner cette limitation, bien que cela ne se produise pas dans les systèmes biologiques. Cependant, il manquait jusqu'à présent un modèle artificiel permettant d'étudier cela plus en détail."
Mougel et son groupe ont réussi pour la première fois à isoler et à stabiliser un tel fer-soufre extrêmement réduit, et enfin à synthétiser et caractériser une série complète de soi-disant amas rédox cubane fer-soufre dans tous les états d'oxydation. Cela a permis une analyse approfondie des différentes propriétés structurelles et électroniques.
Dans l'étape suivante, le groupe a pu montrer que même de petits changements dans l'environnement de ces clusters peuvent avoir un impact majeur sur leur dynamique et leur potentiel rédox. Cela permet de générer des potentiels réducteurs extrêmes, donc une oxydation et une réduction facilitées, in situ et à la demande (concept de gating).
Pour ses recherches, notamment pour ses contributions dans le domaine des amas fer-soufre, Victor Mougel se voit attribuer le prix Ruzicka 2023, un honneur qui compte beaucoup pour lui, mais qu'il n'accepte, comme il le souligne, que comme un représentatif de nombreux esprits.
"Je tiens à remercier mon équipe, car au final, aucun de ces succès de recherche n'aurait été possible sans leur engagement. Les personnes de mon groupe sont le moteur de cette recherche et une motivation importante pour moi pour continuer à monter des projets ensemble. "
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'ETH Zurich
