El presente y el futuro de los sistemas eficientes de conversión de CO2

El sector petroquímico proporciona productos que juegan un papel central en nuestra vida cuotidiana: combustibles, plásticos, fertilizantes, e incluso detergentes. Pero hay un precio a pagar: este sector es uno de los principales consumidores mundiales de energía y representa un 18% de las emisiones industriales de CO_2,. Además, las proyecciones prevén un aumento de las emisiones de este gas de efecto invernadero en los próximos años.

La electroreducción de CO₂ (CO₂R por sus siglas en inglés) ha emergido en los últimos años como una solución prometedora para mitigar el impacto medioambiental de las emisiones de CO₂ de la industria química. EL CO₂R es el proceso químico mediante el que se convierte el CO2 capturado de la atmósfera, de emisiones o de procesos biológicos en otras nuevas moléculas basadas en el carbono y utilizando para ello energías renovables. Los productos resultantes de este proceso se pueden utilizar como combustibles o materias primas para fabricar otros productos abriendo la puerta a las llamadas economías circulares. Una de las materias primas más importantes obtenidas a base de carbono es el etileno-el compuesto orgánico más producido del mundo.

Los electrolizadores de CO₂R se encargan de romper las moléculas de CO₂ y recombinan los elementos resultantes con hidrógeno para poder formar nuevas moléculas. A lo largo de los últimos años, se ha producido un gran progreso de la selectividad en la generación de determinados productos (por ejemplo, el etileno) y de la productividad (la cantidad de producto que se puede generar en un intervalo de tiempo determinado). Ahora, la tecnología de CO₂R se enfrenta a un nuevo desafio: la eficiencia de energía global del sistema. Una gran parte del CO₂ que entra dentro de los electrolizadores se convierte en carbonatos cuyo procesamiento supone una penalización energética muy alta (y por lo tanto un coste añadido).

Un nuevo estudio de revisión publicado recientemente en la revista Nature Sustainability ofrece una visión general de 4 nuevos enfoques con los que se podría conseguir una electrosíntesis del CO₂ carbono-eficiente. Esto es, que permitan minimizar las pérdidas de CO₂ en forma de carbonato que se generan durante el proceso de CO₂R, permitiendo una eficiencia alta en la conversión de un sólo paso (SPC por sus siglas en inglés) y reduciendo estas penalizaciones energéticas tan importantes.

En el artículo, el profesor del ICFO Pelayo García de Arquer, junto con investigadores de la Universidad de Toronto, entre los cuales figuran Adnan Ozden, Jianang Erick Huang, Joshua Wicks y los profesores Edward H Sargent y David Sinton, ofrecen una comparación de carácter cuantitativo de las ventajas, obstáculos y desafíos de las tecnologías más prometedoras que permitan altas conversiones de un solo paso. Las rutas de conversión analizadas en el trabajo incluyen los sistemas de CO₂R basado en membranas novedosas (por ejemplo, membranas bipolares); el CO₂R en medios ácidos, reacciones tándem y soluciones de captura y conversión directa.

Los investigadores describen en el artículo las características de las diferentes rutas y subrayan los principales desafíos tecnológicos para cada uno de los sistemas de conversión analizados, tales como la degradación, las pérdidas de voltaje, la formación de coque o problemas en el acoplamiento C-C. Los autores proporcionan también algunas soluciones a nivel de catalizadores, membranas y reactores que permitan superar las limitaciones descritas.

Finalmente, los autores del estudio proponen una hoja de ruta que asegure la viabilidad tecnoeconómica de la síntesis de etileno mediante CO₂R en el proceso hacia la implantación a gran escala de estos sistemas de conversión.

Artículo 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