Sólo voy a responder a tu pregunta directa: "¿Qué tipo de catalizadores podrían utilizarse y qué problemas de rendimiento y vida útil plantean?", porque el resto está mal definido. Mencionaré algunos aspectos de la conversión electroquímica. Espero ilustrar por qué su pregunta es problemática.
Hay varios productos diferentes a los que uno podría imaginarse reduciendo el dióxido de carbono:
- metano
- metanol
- formaldehído
- monóxido de carbono
- ácido fórmico
- etileno
Cada una requerirá materiales y condiciones diferentes, pero todas necesitan energía para producirse. Por no hablar de que todas son reacciones difíciles. Desde el punto de vista termodinámico, el dióxido de carbono se encuentra en el fondo de este pozo de energía y para salir de él es necesario gastar energía.
Un método consiste en electrolizar directamente sobre un metal. El Cu en soluciones acuosas puede dar metano como producto principal, pero también evoluciona hidrógeno y muchos de los otros que he enumerado anteriormente. Hay un par de problemas con esto, pero el principal es que a menudo requiere grandes sobrepotenciales a tasas de interés para fines industriales y esto significa más coste en términos de entrada eléctrica. Otro problema importante que rodea a casi todos estos estudios es la selectividad de un catalizador: en agua a pH 7 la evolución del dihidrógeno es termodinámicamente más favorable que la reducción del dióxido de carbono a todo excepto metano y metanol. Desgraciadamente, estos dos productos son los más complejos de producir en lo que a transformaciones químicas se refiere. Así que es mucho más probable que los demás productos se produzcan por el camino. Por eso la gente se ha centrado en hacer cosas más sencillas, como monóxido de carbono o ácido fórmico.
¿De dónde procede esta energía? Ahora mismo del carbón. Así que acabaríamos creando más dióxido de carbono del que reducimos a otras especies. Me recuerda a cómo funciona la transmisión diésel-eléctrica en los trenes de mercancías: un motor sucio hace girar un generador eléctrico que genera electricidad que se utiliza en los motores en lugar de que el motor accione directamente las ruedas; creo que podemos llamar a esta transmisión diésel-eléctrica una transmisión indirecta mientras que la segunda es una transmisión directa. Resulta que hacer lo primero es mucho más fácil en ingeniería que lo segundo. Lo mismo ocurre en este caso. Es más fácil generar electricidad en otro lugar y luego reducir el CO2 que tener energía directamente alimentada para reducir el dióxido de carbono. Se puede conseguir una mayor eficiencia si se opta por lo segundo, pero las complejidades técnicas y de ingeniería aumentan enormemente.
Para hacer frente a esta carga eléctrica mediante la analogía del accionamiento directo, se han estudiado estos enfoques de fotosíntesis artificial, es decir, el uso de la luz para impulsar estas reacciones o, al menos, ayudar a aliviar la carga energética. Para ello se necesitan fotocatalizadores, que suelen ir acompañados de semiconductores. Algunos semiconductores son naturalmente buenos para reducir el dióxido de carbono, como el CdTe, pero este mejor rendimiento para generar metanol está a su vez relacionado con un proceso real de corrosión del semiconductor. Los semiconductores son muy complicados y caros de fabricar bien. Tienden a corroerse con facilidad cuando funcionan bien con luz solar. Requieren catalizadores y esto introduce enormes problemas de compatibilidad y complejidades de fabricación. Dejaremos el enfoque indirecto en el estado en que se encuentra el campo, complicado e incompleto.
En cuanto al enfoque directo:
se complica por el hecho de que el dióxido de carbono tiene una solubilidad fundamentalmente limitada a temperatura ambiente. De ahí que otros prefieran sistemas no acuosos. Por desgracia, esto añade otras complejidades...
En realidad, mientras escribía esto llegué a la conclusión de que podría escribirte una respuesta mucho más sucinta en lugar de seguir balbuceando: El mejor candidato será un metal de transición, de eso no hay duda. Puede que acabe siendo una especie molecular, pero hay tantas estructuras posibles que es difícil saber si no encontraremos antes un catalizador heterogéneo más simple que sea más capaz. Por la ley de Murphy, será el material más caro imaginable. Pero ahora mismo, teniendo todo en cuenta, siempre se puede mirar todo el trabajo exhaustivo que se ha hecho con el cobre, pero darse cuenta de que no es muy eficiente ni selectivo.
