El present i el futur dels sistemes eficients de conversió de CO2

El sector petroquímic elabora productes son bàsics en la nostra vida quotidiana: combustibles, plàstics, fertilitzants, i fins i tot detergents. Però tot té un preu: aquest sector és un dels principals consumidors mundials d'energia i representa un 18% de les emissions industrials de CO₂. A més, les projeccions preveuen un increment de les emissions d’aquest gas d’efecte hivernacle en els pròxims anys.

L'electroreducció de CO₂ (CO₂R per les seves sigles en anglès) ha emergit en els darrers anys com una solució prometedora per a mitigar l'impacte mediambiental de les emissions de CO₂ de la indústria química. EL CO₂R és el procés químic mitjançant el qual es converteix el CO₂ capturat de l'atmosfera, d'emissions o de processos biològics en noves molècules basades en el carboni i utilitzant energies renovables. Els productes resultants d'aquest procés es poden utilitzar com a combustibles o primeres matèries per fabricar d’altres productes obrint d’aquesta manera la porta a les anomenades economies circulars. Una de les primeres matèries més importants obtingudes a base de carboni és l'etilè (el compost orgànic més produït del món).

Els electrolitzadors de CO₂R se encarreguen de trencar les molècules de CO₂ i recombinar els elements resultants amb hidrogen per tal de formar noves molècules. Al llarg dels darrers anys, s'ha produït un gran progrés en la selectivitat de la generació de determinats productes (per exemple, l'etilè) i la productivitat (la quantitat de producte que es pot generar en un interval de temps determinat). Ara, la tecnologia de CO₂R s'enfronta a un nou repte: l'eficiència d'energia global del sistema. Resulta que una gran part del CO₂ que entra dins els electrolitzadors es converteix en carbonats i el processat d’aquests carbonats implica una penalització energètica molt alta (i per tant un cost afegit).

Un nou estudi de revisió publicat recentment a la revista Nature Sustainability ofereix una visió general de 4 nous enfocaments amb els quals es podria aconseguir una electrosíntesi del CO₂ carbono-eficient. Aquestes noves rutes podrien ajudar a minimitzar les pèrdues de CO₂ en forma de carbonat que es generen durant el procés de CO₂R permetent una alta eficiència en la conversió d'un sol pas (SPC per les seves sigles en anglès) i reduint aquestes penalitzacions energètiques tan importants.

En l'article, el professor de l'ICFO Pelayo García de Arquer juntament amb un equip d’investigadors de la Universitat de Toronto, entre els quals hi figuren Adnan Ozden, Jianang Erick Huang, Joshua Wicks i els professors Edward H Sargent i David Sinton, ofereixen una comparació de caràcter quantitatiu dels avantatges, obstacles i reptes de les tecnologies més prometedores que permetin altes conversions d'un sol pas. Les rutes de conversió analitzades en el treball inclouen els sistemes de CO₂R basats en noves membranes (per exemple membranes bipolars); el CO₂R en medis àcids, reaccions tàndem i solucions de captura i conversió directa.

Els investigadors descriuen en l’estudi les característiques de les diferents rutes i subratllen els principals reptes tecnològics per a cadascun dels sistemes de conversió analitzats, com ara la degradació, les pèrdues de voltatge, la formació de coc o problemes en l’acoblament C-C. Els autors proporcionen també algunes solucions per als catalitzadors, membranes i reactors que permetin superar les limitacions descrites.

Finalment, els autors de l’estudi proposen un full de ruta que asseguri la viabilitat tècnica i econòmica de la síntesi d’etilè mitjançant el CO₂R en el procés per a la seva implantació a gran escala.

Article original

Ozden, A., García de Arquer, F.P., Huang, J.E. et al. Carbon-efficient carbon dioxide electrolysers. Nat Sustain (2022). https://doi.org/10.1038/s41893-022-00879-8