Voir la source de Réaction de Sabatier

[[Image:Paul Sabatier.jpg|vignette|droite|redresse|[[Paul Sabatier (chimiste)|Paul Sabatier]] (1854-1941), [[prix Nobel de chimie]] en 1912 et découvreur de la réaction en 1897.]]

La '''réaction de Sabatier''', ou '''procédé Sabatier''', est une [[réaction chimique]], découverte en [[1897 en science|1897]] par les [[chimiste]]s français [[Paul Sabatier (chimiste)|Paul Sabatier]] et [[Jean-Baptiste Senderens]], permettant de produire du [[méthane]] {{CH4}} et de l'[[eau]] {{H2O}} à partir de [[dioxyde de carbone]] {{CO2}} et d'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{H2}} à pression et températures élevées {{incise|idéalement de {{tmp|300|400|°C}}|incise stop}}. Ce processus est également appelé « [[hydrogénation]] du {{CO2}} en méthane » ou « [[méthanation]] du {{CO2}} ». La réaction est [[Réaction exothermique|exothermique]] et la conversion [[Stœchiométrie|stœchiométrique]] du dioxyde de carbone libère {{nobr|164 kilojoules}} par mole<ref name="10.1016/j.fuel.2015.10.111" />.

:<chem>CO2{} + 4H2 ->[{}\atop 400\ ^\circ\ce{C}][\ce{pression}] CH4{} + 2H2O</chem>{{pad}}∆''H'' = {{nb|-165.0 kJ/mol}} {{spaces|5}} (équation 1).
<!-- Autre mise en forme possible : [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + 4 [[Dihydrogène|{{H2}}]] ⟶ {{CH4}} + 2 [[Eau|{{H2O}}]] sous pression à {{tmp|400|°C}} ; ∆[[Enthalpie|''H'']] = {{unité|-165.0 kJ/mol}} {{spaces|5}} (équation 1) -->
La méthanation du dioxyde de carbone permet le stockage chimique de l'électricité dans le cas où l’hydrogène fourni est produit par [[Électrolyse de l'eau|électrolyse]] (PtG - [[Power to gas|Power-to-Gas]])<ref>{{Article|langue=en|auteurs=Jonathan Lefebvre, Manuel Götz, Siegfried Bajohra, Rainer Reimert et Thomas Kolb|titre=Improvement of three-phase methanation reactor performance for steady-state and transient operation|périodique=Fuel Processing Technology |date=2015|issn=|doi=10.1016/j.fuproc.2014.10.040}}.</ref>

== Mécanisme de la réaction ==

La méthanation de {{CO2}} (équation 1) est une [[Combinaison linéaire d'orbitales atomiques|combinaison linéaire]] de la méthanation du [[monoxyde de carbone]] CO ({{nobr|équation 2}}) et de la réaction inverse du [[gaz à l'eau]] ({{nobr|équation 3}}).

Le mécanisme de cette réaction n'est pas entièrement compris et on ignore encore si la [[méthanation]] du dioxyde de carbone commence par l'[[adsorption]] associative d'un [[adatome]] d'[[hydrogène]] pour former des intermédiaires [[Oxygène|oxygénés]] avant l'[[hydrogénation]] ou bien par une dissociation donnant un [[carbonyle]] avant l'hydrogénation<ref name="10.1039/C6CY00478D">
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Bin Miao, Su Su Khine Ma, Xin Wang, Haibin Su et Siew Hwa Chan  
 | titre       = Catalysis mechanisms of {{CO2}} and CO methanation 
 | périodique  = Catalysis Science & Technology
 | volume      = 12
 | numéro      = 6
 | année       = 2016
 | pages       = 4048-4058
 | consulté le = 19 avril 2019
 | doi         = 10.1039/C6CY00478D
}}.</ref>.

:[[Monoxyde de carbone|CO]] + 3 [[Dihydrogène|{{H2}}]] ⟶ {{CH4}} + [[Eau|{{H2O}}]] ; ∆[[Enthalpie|''H'']] = {{unité|-206 kJ/mol}} {{spaces|5}} (équation 2).
:[[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + {{H2}} ↔ CO + {{H2O}} ; ∆[[Enthalpie|''H'']] = 41 kJ/mol {{spaces|5}} (équation 3).

La somme de ces deux réactions redonne bien la réaction de Sabatier ainsi que la valeur de son enthalpie de réaction : 

:[[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + 4 [[Dihydrogène|{{H2}}]] ⟶ {{CH4}} + 2 [[Eau|{{H2O}}]] ; ∆[[Enthalpie|''H'']] = {{unité|-165 kJ/mol}} {{spaces|5}} (équation 1).

On pense que la méthanation du carbonyle fait intervenir un mécanisme dissociatif au cours duquel la [[Liaison covalente|liaison]] [[carbone]]–[[oxygène]] est rompue avant l'hydrogénation par un mécanisme associatif observé uniquement à concentration élevée d'hydrogène. Plusieurs catalyseurs [[métal]]liques ont été étudiés en détail, notamment à base de [[nickel]]<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = K. O. Xavier, R. Sreekala, K. K. A. Rashid, K. K. M. Yusuff et B. Sen
 | titre       = Doping effects of cerium oxide on Ni/{{fchim|Al|2|O|3}} catalysts for methanation
 | périodique  = Catalysis Today
 | volume      = 49
 | numéro      = 1-3
 | jour        = 24
 | mois        = février
 | année       = 1999
 | pages       = 17-21
 | consulté le = 19 avril 2019
 | doi         = 10.1016/S0920-5861(98)00403-9
}}.</ref>, de [[ruthénium]]<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Toshimasa Utaka, Tatsuya Takeguchi, Ryuji Kikuchi et Koichi Eguchi
 | titre       = CO removal from reformed fuels over Cu and precious metal catalysts
 | périodique  = Applied Catalysis A: General
 | volume      = 246
 | numéro      = 1
 | jour        = 25
 | mois        = juin
 | année       = 2003
 | pages       = 117-124
 | consulté le = 19 avril 2019
 | doi         = 10.1016/S0926-860X(03)00048-6
}}.</ref> et de [[rhodium]]<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Paraskevi Panagiotopoulou, Dimitris I. Kondarides et Xenophon E. Verykios
 | titre       = Selective methanation of CO over supported noble metal catalysts: Effects of the nature of the metallic phase on catalytic performance
 | périodique  = Applied Catalysis A: General
 | volume      = 344
 | numéro      = 1-2
 | jour        = 15
 | mois        = juillet
 | année       = 2008
 | pages       = 45-54
 | consulté le = 19 avril 2019
 | doi         = 10.1016/j.apcata.2008.03.039
}}.</ref> pour la production de méthane à partir de [[gaz de synthèse]] et d'autres applications de conversion d'énergie en gaz<ref name="10.1039/C6CY00478D"/> ; le nickel reste le plus utilisé en raison de sa sélectivité élevée et de son faible coût<ref name="10.1016/j.fuel.2015.10.111">
{{Article|langue=en|auteurs=Stefan Rönsch, Jens Schneider, Steffi Matthischke, Michael Schlüter, Manuel Götz, Jonathan Lefebvre, Praseeth Prabhakaran et Siegfried Bajohr|titre=Review on methanation – From fundamentals to current projects |périodique=Fuel|volume=166|jour=15|mois=février|année=2016|doi=10.1016/j.fuel.2015.10.111|consulté le=19 avril 2019|pages=276-296}}.</ref>. La [[Nature (revue)|nature]] du support joue un rôle important dans l'interaction entre le nickel et le support, et détermine ainsi l'[[Activité chimique|activité]] [[catalytique]] et la [[Sélectivité et spécificité|sélectivité]] pour la méthanation du {{CO2}}. Un support commercial typique pour le processus est l’alumine [[Al2O3|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]<ref>{{Article|langue=en|auteurs=Antonio Ricca, LiviaTruda et Vincenzo Palma|titre=Study of the role of chemical support and structured carrier on the {{CO2}} methanation reaction|périodique=Chemical Engineering Journal |date=2018|issn=|doi=10.1016/j.cej.2018.11.159|pages=}}.</ref>.

== Applications ==

=== Production de gaz naturel de synthèse ===

La [[méthanation]] des [[Oxyde de carbone|oxydes de carbone]] est une étape importante de la production de {{Lien|langue=en|trad=Substitute natural gas|fr=gaz naturel de synthèse}} ou de substitution<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Jan Kopyscinski, Tilman J. Schildhauer et Serge M. A. Biollaz
 | titre       = Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry biomass – A technology review from 1950 to 2009
 | périodique  = Fuel
 | volume      = 89
 | numéro      = 8
 | mois        = août
 | année       = 2010
 | pages       = 1763-1783
 | consulté le = 19 avril 2019
 | doi         = 10.1016/j.fuel.2010.01.027
}}.</ref> (GNS). Ce procédé consiste à [[Gazéification|gazéifier]] du [[charbon]] ou du [[bois]] pour obtenir du [[méthane]] par simple purification des gaz {{incise|essentiellement du [[monoxyde de carbone]] CO et de l'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{H2}}}} après leur méthanation.

La première usine de production commerciale de gaz naturel de synthèse a été inaugurée en 1984 par la {{Lien|langue=en|trad=Dakota Gasification Company|fr=Dakota Gasification Company}} à [[Beulah (Dakota du Nord)|Beulah]]<ref name="10.1016/j.fuel.2015.10.111"/>, dans le [[Dakota du Nord]] ; trente ans plus tard, elle était toujours en fonctionnement, et produisait l'équivalent de {{unité|1500|MW}} de gaz naturel de synthèse à partir de charbon et de matières carbonées. D'autres installations ont été ouvertes depuis, utilisant d'autres sources de carbone, comme des [[copeau]]x de bois.

=== Catalyse pour la synthèse de l'ammoniac ===

Le [[Monoxyde de carbone|CO]] et le [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] sont des [[Inhibiteur (chimie)|poisons]] pour la plupart des [[catalyse]]urs utilisés pour la production de l'[[ammoniac]]<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Kayvan Khorsand, Mehdi A. Marvast, Narges Pooladian et Madjid Kakavand
 | titre       = Modeling and Simulation of Methanation Catalytic Reactor in Ammonia Unit
 | périodique  = Petroleum & Coal
 | volume      = 49
 | numéro      = 1
 | année       = 2007
 | pages       = 46-53
 | url texte   = https://www.researchgate.net/profile/Mahdi_Ahmadi_Marvast/publication/26498529_Modeling_and_simulation_of_methanation_catalytic_reactor_in_ammonia_unit/links/0deec52ad3e314aca6000000/Modeling-and-simulation-of-methanation-catalytic-reactor-in-ammonia-unit.pdf
 | consulté le = 19 avril 2019
}}.</ref> {{NH3}}, de sorte que des catalyseurs de [[méthanation]] sont ajoutés après plusieurs étapes de production d'[[Dihydrogène|hydrogène]] afin de prévenir l'accumulation de CO et de {{CO2}} dans les unités de synthèse d'ammoniac, car le [[méthane]] a un effet sensiblement moindre que les [[Oxyde de carbone|oxydes de carbone]] sur la vitesse de production de l'ammoniac.

=== Système de support de vie de la Station spatiale internationale ===

Les générateurs d'oxygène de la [[Station spatiale internationale]] produisent de l'[[Dioxygène|oxygène]] {{O2}} par [[électrolyse de l'eau]] {{H2O}}, ce qui libère de l'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{H2}}. Par la suite, la [[respiration]] des [[astronaute]]s convertit cet oxygène en [[dioxyde de carbone]] {{CO2}}. Hydrogène et dioxyde de carbone sont généralement des déchets rejetés dans l'espace, ce qui occasionne une perte importante d'eau et n'est pas une solution viable pour les missions longues. La réaction de Sabatier permet, moyennant l'apport d'un complément d'hydrogène, de régénérer de l'eau à partir du dioxyde de carbone et de l'hydrogène produits par la respiration des astronautes et par l'électrolyse de l'eau destinée à produire l'oxygène<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteur1     = Pete Harding
 | url         = https://www.nasaspaceflight.com/2010/10/soyuz-01m-docking-iss-crews-conduct-hardware-installation/
 | titre       = Soyuz TMA-01M docks with ISS as crews conduct hardware installation
 | date        = 9 octobre 2010
 | site        = nasaspaceflight.com
 | éditeur     = [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]
 | consulté le = 19 avril 2019
}}.</ref>{{,}}<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/sabatier.html
 | titre       = The Sabatier System: Producing Water on the Space Station
 | date        = 12 mai 2011
 | site        = nasa.gov
 | éditeur     = [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]
 | consulté le = 19 avril 2019
|brisé le = 2024-02-10}}.</ref>. Il serait possible de fermer encore davantage le cycle en récupérant l'hydrogène contenu dans le méthane, par exemple par [[pyrolyse]]<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteurs     = P. K. Sharma, D. Rapp et N. K. Rahotgi
 | url         = https://www.lpi.usra.edu/meetings/ISRU-III-99/pdf/8008.pdf
 | titre       = Methane Pyrolysis and Disposing off Resulting Carbon.
 | date        = 11 juin 1999
 | site        = lpi.usra.edu
 | éditeur     = [[Universities Space Research Association|USRA]]
 | consulté le = 19 avril 2019
}}.</ref>, laquelle peut être complète et produire du [[noir de carbone]] en restituant tout l'hydrogène, ou bien incomplète et produire de l'[[acétylène]] {{fchim|C|2|H|2}} en ne restituant que 75 % de l'hydrogène, le reste devant être apporté de l'extérieur pour alimenter le cycle :

:{{CH4}} =⟶ [[Noir de carbone|C]] + 2 [[Dihydrogène|{{H2}}]] ;
:2 {{CH4}} =⟶ [[Acétylène|{{fchim|C|2|H|2}}]] + 3 [[Dihydrogène|{{H2}}]].

La [[réaction de Bosch]] offre également une alternative étudiée par la [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://settlement.arc.nasa.gov/teacher/course/h2o_gen.html
 | titre       = Methods of Water Production
 | date        = 25 juillet 1999
 | site        = settlement.arc.nasa.gov
 | éditeur     = [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]
 | consulté le = 19 avril 2019
}}.</ref> :

:[[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + 2 [[Dihydrogène|{{H2}}]] =⟶ [[Noir de carbone|C]] + 2 [[Eau|{{H2O}}]] à {{tmp|600|°C}}.

Cette réaction permettrait de survivre en circuit fermé, mais requiert une température de {{tmp|600|°C}}, difficile à maintenir dans un vaisseau spatial, et génère du carbone qui tend à altérer la surface du catalyseur par [[cokage]], ce qui rend délicate sa mise en œuvre effective dans l'espace.

=== Production de carburant sur Mars par ISRU ===

La réaction de Sabatier a été proposée comme élément clé de la réduction du coût de [[Mission habitée vers Mars|missions habitées vers Mars]], telles que ''{{lang|en|[[Mars Direct]]}}'' et l'''{{lang|en|[[Interplanetary Transport System]]}}'', en reposant sur l'[[Utilisation des ressources in situ|utilisation des ressources ''in situ'']] ({{Abréviation|ISRU|In Situ Resource Utilization}}). Il s'agit d'utiliser le [[dioxyde de carbone]] de l'[[atmosphère de Mars]], cette dernière étant constituée à plus de 95 % de {{CO2}}, pour produire du [[méthane]] {{CH4}}, utilisé comme [[carburant]], et de l'[[eau]] {{H2O}}, cette dernière étant à son tour [[Électrolyse de l'eau|électrolysée]] pour produire de l'[[Dioxygène|oxygène]] {{O2}}, utilisé comme [[comburant]], et de l'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{H2}}, recyclé pour la [[Réduction (chimie)|réduction]] du dioxyde de carbone au début du cycle. L'hydrogène nécessaire à l'[[Amorçage (chimie)|amorçage]] du cycle pourrait être apporté depuis la [[Terre]] ou être produit directement sur place par électrolyse d'[[Eau sur Mars|eau martienne]]<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteur1     = Jeanna Bryner
 | url         = https://www.space.com/3571-giant-pool-water-ice-mars-south-pole.html
 | titre       = Giant Pool of Water Ice at Mars' South Pole
 | date        = 15 mars 2007
 | site        = space.com
 | éditeur     = [[Space.com]]
 | consulté le = 20 avril 2019
}}.</ref>.

Il est possible de combiner la réaction de Sabatier avec la [[Réaction du gaz à l'eau|réaction du gaz à l'eau inverse]] ({{Abréviation|RWGS|Reverse Water Gas Shift}}) dans un réacteur unique afin d'utiliser directement le dioxyde de carbone de l'atmosphère martienne et l'eau du sol ou de l'atmosphère de Mars pour produire du méthane<ref>
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteurs     = Sergio Adan-Plaza, Mark Hilstad, Kirsten Carpenter, Chris Hoffman, Laila Elias, Matt Schneider, Rob Grover et Adam Bruckner
 | url         = https://www.lpi.usra.edu/publications/reports/CB-955/washington.pdf
 | titre       = Extraction of Atmospheric Water on Mars for the Mars Reference Mission
 | site        = lpi.usra.edu
 | éditeur     = [[Universities Space Research Association|USRA]]
 | consulté le = 20 avril 2019
}}.</ref>. Un prototype d'un tel réacteur a été réalisé en 2011 et a fonctionné de manière autonome pendant cinq jours en produisant {{unité|1 kg}} de [[propergol]] méthane/oxygène par jour à partir du {{CO2}} extrait d'une atmosphère martienne reconstituée et avec un rendement voisin de 100 %. Une version optimisée de {{unité|50 kg}} de ce type de réacteur « devrait produire {{unité|1 kg/j}} de propergol [[Dioxygène|{{O2}}]]/{{CH4}} […] avec une pureté de méthane de 98 % et moyennant la consommation de {{unité|700 W}} de [[courant électrique]]. » Le taux de conversion d'une unité optimisée de ce type serait d'une tonne de propergol pour {{unité|17 MWh}}<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteurs     = Robert M. Zubrin, Anthony C. Muscatello et Mark Berggren
 | titre       = Integrated Mars In Situ Propellant Production System
 | périodique  = Space Resources Roundtable VII: LEAG Conference on Lunar Exploration, Proceedings of the conference held October 25-28, 2005, in League City, Texas. LPI
 | mois        = octobre
 | année       = 2005
 | numéro article = 1287
 | pages       = 68
 | consulté le = 20 avril 2019
 | doi         = 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000201
 | bibcode     = 2005LPICo1287...68M
}}.</ref>.

Le [[Rapport de mélange (moteur)|rapport de mélange]] [[Stœchiométrie|stœchiométrique]] entre l'[[oxydant]] et le [[Réducteur (chimie)|réducteur]] est 2:1 dans le cas du propergol oxygène/méthane :

:{{CH4}} + 2 [[Dioxygène|{{O2}}]] =⟶ [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + 2 [[Eau|{{H2O}}]].

Cependant, un réacteur Sabatier produit de l'oxygène et du méthane dans un rapport 1:1 ; la réaction du gaz à l'eau inverse peut alors fournir l'oxygène manquant, sous forme d'eau à électrolyser<ref>
{{Article
 | langue      = en
 | auteur1     = Jonathan E. Whitlow | auteur2 = Clyde F. Parrish
 | titre       = Operation, Modeling and Analysis of the Reverse Water Gas Shift Process
 | périodique  = Space Technology and Applications INT.Forum-STAIF 2003: Conf.on Thermophysics in Microgravity; Commercial/Civil Next Generation Space Transportation; Human Space Exploration. AIP Conference Proceedings
 | volume      = 654
 | mois        = janvier
 | année       = 2003
 | pages       = 1116-1123
 | consulté le = 20 avril 2019
 | doi         = 10.1063/1.1541409
 | bibcode     = 2003AIPC..654.1116W
}}.</ref> :

: [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] + [[Dihydrogène|{{H2}}]] =⟶ [[Monoxyde de carbone|CO]] + [[Eau|{{H2O}}]].

=== Parc énergétique de Morbach ===

Ce processus permet aussi de stocker les surplus d'énergie d'origine solaire ou éolienne sous forme de méthane. Une réalisation concrète existe (depuis 2011) en [[Allemagne]], celle du [[Parc énergétique de Morbach]].

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Traduction/Référence|en|Sabatier reaction|1002273527}}

=== Références ===
{{Références nombreuses|taille=30}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
{{Colonnes|taille=30|
* [[Power to gas]]
* [[Méthanation]]
* [[Utilisation des ressources in situ]]
* [[Chronologie des technologies de l'hydrogène]]
* [[Vaporeformage]]
* [[Reformage du méthane]]
* [[Procédé Fischer-Tropsch]]
}}

=== Liens externes ===
{{Autres projets
|commons=Category:Sabatier reaction
|commons titre=Réaction de Sabatier 
}}
* {{Site Fondation Nobel |https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1912/sabatier/facts/ |titre=Biographie}}
* {{en}} Malcolm J. Shaw, [http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/mars/marssurf.html ''A Crewed Mission to Mars''], NASA, 2005
* {{en}} Birbara, P.J. et Sribnik, F., [http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=5087687 ''Development of an improved Sabatier reactor''], sur ''osti.gov'', 1979
{{Liens}}
{{Palette|Bioénergie}}
{{Portail|chimie|énergie}}
[[Catégorie:Réaction d'oxydoréduction organique]]
[[Catégorie:Gaz de synthèse]]