CO2: una fuente de carbono alternativa

Los combustibles fósiles aportan la mayoría de la energía consumida en el mundo. Además, sirven como fuente de carbono para la preparación de los combustibles, productos químicos y multitud de materiales basados en el carbono que usamos diariamente. Sin embargo, la utilización masiva de combustibles fósiles conlleva una serie de problemas económicos, políticos y medioambientales. De esta forma, el consumo masivo de combustibles fósiles produce emisiones netas de CO2 -un gas de efecto invernadero- a la atmósfera. El incremento de su concentración en la atmósfera está asociado con el calentamiento global y con los consecuentes problemas climáticos. Para mitigar el calentamiento global, los gobiernos están promoviendo un gran número de directivas e iniciativas que estimulen la sustitución gradual de los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables y, con ello, reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera. Sin embargo, a pesar de los crecientes esfuerzos realizados por parte de las instituciones y del aumento gradual en el uso de las energías renovables, los combustibles fósiles continúan siendo la fuente de energía dominante en la actualidad.

Dado que el CO2 es el producto final resultante de la utilización de los combustibles fósiles, su captura y posterior conversión en productos útiles se ha convertido en un área de interés para los investigadores de todo el mundo. De hecho, existe un enorme incentivo, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental, en utilizar el CO2 como fuente de carbono en sustitución de los combustibles fósiles. Las plantas utilizan de forma natural el CO2 atmosférico como fuente de carbono para producir azúcares a través de un proceso paradigmático denominado fotosíntesis.

Investigadores de todo el mundo han estado tratando de imitar este proceso natural de fijación de carbono desarrollando la llamada "fotosíntesis artificial", es decir, un proceso que permita la transformación -con ayuda de una fuente de energía externa- de CO2 y H2O en sustancias químicas útiles. Sin embargo, hasta ahora, la mayoría de estos intentos han dado lugar a procesos con baja conversión/eficiencia, debido principalmente a la alta estabilidad química de la molécula de CO2.

El CO2 puede transformarse químicamente a combustibles y productos químicos mediante procesos catalíticos, fotocatalíticos, electroquímicos y biológicos. Para vencer la alta estabilidad del CO2, los procesos catalíticos suelen utilizar condiciones de alta temperatura y presión, lo que aumenta el coste/complejidad del proceso y dificulta la obtención selectiva de los productos deseados. Además, estos procesos catalíticos suelen requerir grandes cantidades de hidrógeno externo para llevar a cabo la reducción del CO2. Esto aumenta el coste del proceso y reduce el atractivo medioambiental del mismo, dado que este gas normalmente se produce a partir de combustibles fósiles (e.g., gas natural).

Los procesos fotocatalíticos y biológicos, por otro lado, operan en condiciones de reacción mucho más moderadas y no requieren de hidrógeno externo, pero tienen bajas conversiones y eficiencias. La reducción electroquímica es un proceso muy interesante que está llamando la atención de la comunidad científica como método eficaz para la transformación de CO2. La reducción electroquímica es un proceso muy prometedor ya que: (i) permite llevar a cabo el proceso de reducción a temperatura ambiente, permitiendo, de esta forma, obtener selectividades moderadas mediante el control de las condiciones de reacción (e.g., potencial, intensidad y composición del electrodo); (ii) no requiere hidrógeno externo, ya que el agua puede utilizarse como fuente de electrones y de protones necesarios para la reducción de CO2 a compuestos orgánicos; y (iii) cuando se combina con electricidad proveniente de energía eólica o solar renovable, este proceso puede servir como sistema de almacenamiento de la electricidad sobrante. A pesar de los progresos realizados en los últimos años en la reducción electroquímica del CO2, esta tecnología tiene aún mucho margen de mejora. El principal desafío consiste en desarrollar electrocatalizadores de bajo coste y capaces de reducir activa, selectiva y establemente el CO2 a un único producto.

En este contexto, desde el grupo Materiales y Sostenibilidad de la Universidad Loyola, estamos desarrollando un proyecto de investigación que permita la transformación electroquímica de un gas de efecto invernadero como el CO2 en azúcares comestibles y otros productos químicos de alto valor. El proyecto, que ha sido financiado por la Junta de Andalucía, pretende poner las bases para, en un futuro cercano, poder utilizar este gas como fuente de carbono alternativa a los combustibles fósiles. Para ello, hemos diseñado inicialmente un proceso en dos pasos, aunque también se plantea como objetivo el acoplado de ambos pasos en un proceso continuo. En caso de resultar exitosa, esta tecnología permitiría la producción de azúcares comestibles (e.g, fructosa) usando CO2 como única fuente de carbono y sin necesidad de hidrógeno, lo que añade aún más valor e impacto al proceso. Además, los dos pasos se realizan en condiciones suaves de temperatura -temperatura ambiente- y sin necesidad de disolventes orgánicos -el agua es el único disolvente-, generando, de esta forma, un proceso respetuoso con el medio ambiente.

Este proceso podría tener importantes aplicaciones; se podría utilizar para producir carbohidratos sintéticos en misiones espaciales. La NASA ya ha lanzado un concurso denominado CO2 conversion challenge, donde se buscan tecnologías capaces de producir azúcares comestibles sintéticos usando CO2 como única fuente de carbono. Este desafío está especialmente orientado a futuras misiones tripuladas a Marte, en cuya atmósfera el CO2 es muy abundante (95%). Sin embargo, antes de que esta tecnología pueda ser usada comercialmente, es necesario trabajar intensamente en la mejora de la eficiencia de ambos pasos descritos anteriormente. En el momento actual, estamos desarrollando lo que se conoce como “prueba de concepto”, que es el paso inicial que todo proyecto de investigación debe dar antes de subir a mayores escalas. Nuestro plan es desarrollar la tecnología a escala laboratorio durante los próximos dos años y, en un futuro, si estos ensayos son satisfactorios, incrementar la escala del proceso progresivamente para poder acercar la tecnología a la escala comercial.