Wie man bioinspirierte Katalysatoren entwickelt

Lernen von 3 Milliarden Jahre Entwicklung

Die Katalyse ist ein Prozess, bei dem bestimmte Moleküle (Katalysatoren) eingesetzt werden, um Reaktionen zu beschleunigen und so Stoffe umzuwandeln. "Im Gegensatz zur Natur verwenden Chemiker:innen oft seltene Metalle als Katalysatoren. Das ist keine nachhaltige Vorgehensweise für Prozesse auf globaler Ebene", umreisst Mougel das Problem. Tatsächlich werden die meisten Bausteine für die chemische Produktion derzeit aus fossilen Quellen gewonnen. Das geht mit Umweltproblemen wie der Ansammlung von Kohlendioxid und Nitraten einher. Die Elektrochemie ist eine attraktive Option, um diese problematischen Moleküle wieder in den Kreislauf zu integrieren, und zwar indem man sie auf nachhaltige Weise wieder zurückverwandelt in andere nützliche Stoffe.

"Ein Schlüsselelement ist hier die Entwicklung neuer Elektrokatalysatoren, die diese Umwandlung mit hoher Aktivität und Selektivität ermöglichen und im Sinne der Nachhaltigkeit nur Elemente verwenden, die in der Erde vorkommen. Die Natur zeigt den Weg: Seit über drei Milliarden Jahren entwickelt sie enzymatische Katalysatoren und diese nutzen reichlich vorhandene Moleküle wie N₂ und CO₂ für den effizienten Aufbau komplexer Moleküle und Materialien", zeigt sich Mougel begeistert, "das können wir uns zunutze machen und bioinspirierte Katalysatoren entwickeln, die zur Lösung unserer dringendsten Probleme beitragen können."

Künstliche Blätter und bio-inspirierte CO₂-Reduktion

Dafür verfolgt Mougel mit seiner Gruppe zwei Ansätze: Sie versuchen erstens die Struktur der aktiven Zentren von Enzymen nachzubilden; zweitens imitieren sie Funktionen, die in Enzymen zu finden sind, und wollen diese Funktionen reproduzieren, allerdings ohne sich auf die natürlich vorkommenden Strukturen zu beschränken.

Weiters entwickelte die Gruppe auch effiziente Katalysatoren für die Reduktion von CO₂ zu Ameisensäure, einer wichtigen industriellen Verbindung. Dafür bildete sie das aktive Zentrum des Enzyms Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) nach, welches zwei Metalle enthält (Mouchfiq et al. 2020).

Metallhydride kontrolliert herstellen

Kürzlich konzentrierte sich die Gruppe auf ein Schlüsselmerkmal von Enzymsystemen: den Elektronentransfer. In der Natur werden Elektronenübertragungen in der Regel durch Eisen-Schwefel-Cluster vermittelt. Diese sind für die meisten lebenden Organismen unerlässlich, da sie an Prozessen wie der Photosynthese, der mitochondrialen Energieerzeugung und der DNA-Replikation beteiligt sind. "Sie fungieren als natürliche elektrische Drähte und übertragen Elektronen in den Proteinstrukturen. Zudem sind sie auch an Protonenübertragungen und an der Aktivierung kleiner Moleküle beteiligt", erläutert Mougel.

Synthetische Eisen-Schwefel-Cluster könnten laut Mougel für die Entwicklung besserer elektrokatalytischer Systeme genutzt werden: "Wir konnten zum Beispiel nachweisen, dass wir, wenn wir bekannte Katalysatoren für die Reduktion von Kohlendioxid mit Eisen-Schwefel-Clustern kombinieren, nicht nur ihre katalytische Aktivität stark erhöhen, sondern auch ihre Selektivität völlig verändern können". Die Gruppe konnte zeigen, dass die Cluster den sogenannten konzertierten Protonen-Elektronen-Transfer (CPET) fördern, bei dem ein Proton und ein Elektron gleichzeitig gespeichert und vom Cluster auf ein Substrat übertragen werden.

Mougel und seiner Gruppe gelang es zum ersten Mal, auf diese Weise ein Metallhydrid kontrolliert herzustellen und dieses Hydrid für die Umwandlung von CO₂ in Ameisensäure zu verwenden (Dey et al. 2022). Dies war die erste experimentelle Demonstration dieses wichtigen Konzepts, von dem man erwartet, dass es weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse haben wird. Denn Metallhydride sind zentrale Zwischenprodukte in vielen katalytischen Umwandlungen.

Die elektrischen Drähte der Natur imitieren

Solche Beispiele zeigen: Natürliche Systeme zu verstehen ist Trumpf. Deshalb gehen in Mougels Labor Anwendung und Grundlagenforschung stets Hand in Hand. So hat die Gruppe auch die grundlegenden Redox-Eigenschaften von Eisen-Schwefel-Clustern im Detail untersucht. "Das Spannende ist: Will man CO₂ in nützliche Verbindungen wie langkettige Kohlenwasserstoffe, Ethylen oder Ethan umwandeln, sind bis zu 14 Elektronenreduktionen notwendig.

Alle biologischen CO₂-Reduktase-Enzyme sind jedoch auf Zwei-Elektronen-Prozesse beschränkt", erklärt Mougel, "aber der Nitrogenase-Enzymkomplex hat ein Eisenprotein mit einem Eisen-Schwefel-Cluster, das diese Beschränkung im Prinzip umgehen kann, obwohl dies in biologischen Systemen nicht vorkommt. Bisher fehlte jedoch ein künstliches Modell, um dies genauer zu untersuchen."

Mougel und seiner Gruppe ist es erstmals gelungen, solche extrem reduzierten Eisen-Schwefel zu isolieren und zu stabilisieren und schliesslich eine komplette Serie von sogenannten Eisen-Schwefel-Cuban-Redoxclustern in allen Oxidationsstufen zu synthetisieren und zu charakterisieren (Grundwald et al. 2022). Dies ermöglichte eine gründliche Analyse der unterschiedlichen strukturellen und elektronischen Eigenschaften.

In einem nächsten Schritt konnte die Gruppe zeigen, dass selbst kleine Veränderungen in der Umgebung dieser Cluster einen grossen Einfluss auf ihre Dynamik und ihr Redoxpotential haben können (Grundwald et al. 2023). Dies ermöglicht die Erzeugung extremer Reduktionspotenziale, d.h eine erleichterte Oxidation und Reduktion der Reduktionspartner, in situ sowie auf Abruf (Gating-Konzept).

Für seine Forschung, speziell für seine Beiträge im Bereich der Eisen-Schwefel-Cluster erhält Victor Mougel nun den Ruzicka-Preis – eine Auszeichnung, die ihm viel bedeutet, die er aber auch, wie er betont, nur als Stellvertreter vieler Köpfe entgegennimmt. «Ich möchte vor allem meinem Team danken. Letztlich wäre ohne ihr Engagement keiner dieser Forschungserfolge möglich gewesen. Die Menschen in meiner Gruppe sind der Motor dieser Forschung und eine wichtige Motivation für mich, weiterhin gemeinsam Projekte aufzubauen.