It must be possible to use "à demi décaféiné" as the terms "moitié" and "à demi" are synonyms.
(TLFi) moitié : Emploi adv. À demi.
- Ils vous laissent sur la place moitié sans connaissance par la strangulation. (Dict. compl. arg. Myst. Paris, 1844, p.64)
- Une variété d'œillets laquelle n'était pas moitié aussi belle, (...) aussi grande quant aux dimensions des fleurs que celles qu'ils avaient obtenues depuis longtemps chez la princesse. (PROUST, Guermantes 2, 1921, p.437)
(TLFi) à demi : Loc. adv. Exprime qu'un procès n'est réalisé qu'incomplètement, partiellement. Synon. à moitié, presque; anton. tout à fait, complètement, totalement, etc.
As "demi" is an adjective, it's a word that can't be used to modify an adjective and "à demi" is the term to use; for instance, "un verre demi plein" is not correct but "un verre à demi plein" is.
You can also say "mi-décaféiné";
(TLFi) Mi- + adj. (ou part. passé adj.) [Les mots constr. sont des adj.; ils définissent un état intermédiaire entre deux réalités dont l'une est implicite. Mi- y a la même valeur que les loc. adv. à demi, à moitié] V. mi-clos, mi-lourd, […]
It should be possible to use any of the four following forms, although in European French you can't use the four in all cases;
moitié décaféiné, à moitié décaféiné, à demi décafféiné, mi-décafféiné
For instance you can say "moitié convaincu", "à moitié convaincu", "à demi convaincu" but not "mi-convaincu", except when there is a repetition with another adjective;
Finaud la regardait d'un œil mi-interrogateur, mi-narquois, […] (ref)
My guess is that people are confused more by the fact that "moitié" is the traditional term than by the fact that "demi" is not correct ; they might be confused as well by "à demi".