ปฏิกิริยาSabatierหรือกระบวนการ Sabatierผลิตมีเทนและน้ำจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิสูง (เหมาะสมที่สุดที่ 300–400 °C) และความดันสูง (อาจถึง 3 เมกะปาสคาล; 440 psi; 30 บาร์^{[ 1 ]} ) ในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกล ปฏิกิริยา นี้ถูกค้นพบโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสPaul SabatierและJean-Baptiste Senderensในปี 1897 นอกจากนี้รูทีเนียมบนอะลูมินา (อะลูมิเนียมออกไซด์) ยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ปฏิกิริยานี้อธิบายได้ด้วยปฏิกิริยาคายความร้อน ดังต่อไปนี้ : ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\ce {CO2{}+4H2->[400\ ^{\circ }{\ce {C}}][{\ce {ความดัน+ตัวเร่งปฏิกิริยา}}]CH4{}+2H2O}}}$ ∆ H = −165.0 kJ/mol

มีความเห็นไม่ตรงกันว่าการเมทาเนชันของ CO2 _เกิดขึ้นโดยการดูดซับอะตอมไฮโดรเจนแบบเชื่อมโยงก่อนแล้วจึงสร้างออกซิเจนตัวกลางก่อนการไฮโดรจิเนชัน หรือแยกตัวออกแล้วสร้างคาร์บอนิลก่อนจึงไฮโดรจิเนต^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\ce {{CO}+ 3H2 -> {CH4}+ H2O}}}$ ∆ H = −206 kJ/mol

เชื่อกันว่าปฏิกิริยาเมทาเนชันของ CO เกิดขึ้นผ่านกลไกการแยกตัว โดยพันธะคาร์บอน-ออกซิเจนจะถูกทำลายก่อนการเติมไฮโดรเจน ส่วนกลไกการรวมตัวจะสังเกตได้เฉพาะที่ความเข้มข้น _{ของ H₂ สูงเท่านั้น}

ปฏิกิริยาเมทาเนชันเหนือตัว เร่งปฏิกิริยาโลหะต่าง ๆรวมถึง Ni ^{[ 4 ]} Ru ^{[ 5 ]}และ Rh ^{[ 6 ]}ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางสำหรับการผลิต CH ₄จากซินแก๊สและโครงการพลังงานสู่แก๊สอื่น ๆ^{[ 3 ]}นิกเกลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเนื่องจากมีความเลือกสูงและต้นทุนต่ำ^{[ 2 ]}

กระบวนการมีเทนเนชันเป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างก๊าซธรรมชาติสังเคราะห์หรือก๊าซธรรมชาติทดแทน (SNG) ^{[ 7 ]}ถ่านหินหรือไม้จะผ่านกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันซึ่งสร้างก๊าซผู้ผลิตที่ต้องผ่านกระบวนการมีเทนเนชันเพื่อผลิตก๊าซที่ใช้งานได้ซึ่งต้องผ่านขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ขั้นสุดท้าย

โรงงานผลิตก๊าซสังเคราะห์เชิงพาณิชย์แห่งแรกเปิดดำเนินการในปี 1984 คือ โรงงาน Great Plains Synfuelsในเมืองบิวลาห์ รัฐนอร์ทดาโคตา^{[ 2 ]}ณ ปี 2016 โรงงานนี้ยังคงดำเนินการอยู่และผลิตก๊าซสังเคราะห์ได้ 1,500 เมกะวัตต์ โดยใช้ถ่านหินเป็นแหล่งคาร์บอน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมานับตั้งแต่เปิดดำเนินการ โรงงานเชิงพาณิชย์อื่นๆ ก็ได้เปิดดำเนินการโดยใช้แหล่งคาร์บอนอื่นๆ เช่น เศษไม้^{[ 2 ]}

ในฝรั่งเศส AFUL Chantrerie ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองน็องต์ได้เปิดโรงงานสาธิต MINERVE ในเดือนพฤศจิกายน 2017 โรงงานนี้ป้อนก๊าซธรรมชาติอัด ให้ กับสถานี และบางครั้งก็ฉีดมีเทนเข้าไปในหม้อไอน้ำที่ใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง^{[ 8 ]}

ปฏิกิริยา Sabatier ถูกนำมาใช้ในระบบพลังงานที่เน้นพลังงานหมุนเวียนเพื่อใช้ไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตจากลม พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำ กระแสน้ำในทะเล ฯลฯ ในการผลิตมีเทนจากไฮโดรเจนที่ได้จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า^{[ 9 ] [ 10 ]} ในทางตรงกันข้ามกับการใช้ไฮโดรเจนโดยตรงสำหรับการขนส่งหรือการจัดเก็บพลังงาน^{[ 11 ]}มีเทนสามารถฉีดเข้าไปในเครือข่ายก๊าซที่มีอยู่ได้^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}มีเทนสามารถนำมาใช้ตามความต้องการเพื่อผลิตไฟฟ้าเพื่อเอาชนะจุดต่ำสุดของการผลิตพลังงานหมุนเวียน กระบวนการนี้คือการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อสร้างไฮโดรเจน (ซึ่งสามารถนำไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้บางส่วนโดยตรง) และการเติมคาร์บอนไดออกไซด์ CO ₂ (ปฏิกิริยา Sabatier) เพื่อสร้างมีเทน CO ₂สามารถสกัดได้จากอากาศหรือก๊าซเสียจากเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยกระบวนการอะมีน

โรงงานผลิต ไฟฟ้าพลังงานก๊าซขนาด 6 เมกะวัตต์เริ่มดำเนินการผลิตในประเทศเยอรมนีในปี 2556 และจ่ายพลังงานให้กับรถยนต์Audi A3จำนวน 1,500 คัน ^{[ 15 ]}

ในการผลิตแอมโมเนีย CO และ CO2 _ถือเป็นสารพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กันทั่วไป^{[ 16 ]}ตัวเร่งปฏิกิริยาเมทาเนชันจะถูกเพิ่มหลังจากขั้นตอนการผลิตไฮโดรเจนหลายขั้นตอนเพื่อป้องกันการสะสมของคาร์บอนออกไซด์ในวงจรการสังเคราะห์แอมโมเนีย เนื่องจากมีเทนไม่มีผลเสียที่คล้ายคลึงกันต่ออัตราการสังเคราะห์แอมโมเนีย

เครื่องกำเนิดออกซิเจนบนสถานีอวกาศนานาชาติผลิตออกซิเจนจากน้ำโดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสส่วนไฮโดรเจนที่ผลิตได้นั้นก่อนหน้านี้ถูกทิ้งลงสู่อวกาศ เมื่อนักบินอวกาศใช้ออกซิเจน จะเกิดคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้น ซึ่งจะต้องถูกกำจัดออกจากอากาศและทิ้งไปเช่นกัน วิธีการนี้จำเป็นต้องขนส่งน้ำปริมาณมากไปยังสถานีอวกาศอย่างสม่ำเสมอเพื่อใช้ในการผลิตออกซิเจน นอกเหนือจากน้ำที่ใช้สำหรับการบริโภคของมนุษย์ สุขอนามัย และการใช้งานอื่นๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีในภารกิจระยะยาวในอนาคตที่อยู่นอกวง โคจรต่ำของโลก

NASAกำลังใช้ปฏิกิริยา Sabatier เพื่อกู้คืนน้ำจากคาร์บอนไดออกไซด์ที่หายใจออกมาและไฮโดรเจนที่ถูกทิ้งไปก่อนหน้านี้จากการแยกด้วยไฟฟ้าบนสถานีอวกาศนานาชาติ และอาจใช้ในภารกิจในอนาคต^{[ 17 ] [ 18 ]}สารเคมีอื่นที่เกิดขึ้นคือมีเทน ซึ่งจะถูกปล่อยออกสู่อวกาศ เนื่องจากไฮโดรเจนที่ป้อนเข้าไปครึ่งหนึ่งกลายเป็นมีเทน จึงต้องนำไฮโดรเจนเพิ่มเติมจากโลกมาทดแทนส่วนที่ขาดไป อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้สร้างวงจรเกือบปิดระหว่างน้ำ ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งต้องการไฮโดรเจนที่นำเข้าในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยเพื่อรักษาวงจรนี้ไว้

${\displaystyle {\ce {2H2O->[{\text{electrolysis}}]O2{}+2H2->[{\text{respiration}}]CO2{}+2H2{}+{\overset {added}{2H2}}->2H2O{}+{\overset {discarded}{CH4}}}}}$

วงจรสามารถปิดได้สนิทยิ่งขึ้นหากมีการแยกมีเทนที่เป็นของเสียออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ โดยการไพโรไลซิสซึ่งสามารถแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง (สูงถึง 95%) ที่อุณหภูมิ 1200 °C: ^{[ 19 ]}

${\displaystyle {\ce {CH4->[{\text{heat}}]C{}+2H2}}}$

ไฮโดรเจนที่ถูกปล่อยออกมาจะถูกนำกลับไปใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์ซาบาติเยร์ โดยทิ้งตะกอนกราไฟต์แบบไพโรไลติกที่สามารถกำจัดออกได้ง่าย เครื่องปฏิกรณ์จะมีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่าท่อเหล็ก และนักบินอวกาศสามารถทำการบำรุงรักษาเป็นระยะๆ โดยการใช้สิ่วสกัดตะกอนออก

อีกทางเลือกหนึ่งคือ วงจรอาจปิดได้บางส่วน (H ₂ 75% จาก CH ₄ที่ถูกกู้คืน) โดยการไพโรไลซิสที่ไม่สมบูรณ์ของมีเทนที่เป็นของเสีย ในขณะที่ยังคงกักเก็บคาร์บอนไว้ในรูปก๊าซในรูปของอะเซทิลีน : ^{[ 20 ]}

${\displaystyle {\ce {2CH4->[{\text{heat}}]C2H2{}+3H2}}}$

ปฏิกิริยาBoschกำลังถูกตรวจสอบโดย NASA เพื่อจุดประสงค์นี้เช่นกัน ซึ่งก็คือ: ^{[ 21 ]}

${\displaystyle {\ce {CO2 + 2H2 -> C + 2H2O}}}$

ปฏิกิริยา Bosch จะเป็นวัฏจักรไฮโดรเจนและออกซิเจนแบบปิดสนิท ซึ่งผลิตเพียงอะตอมคาร์บอนเป็นของเสีย อย่างไรก็ตาม ความยากลำบากในการรักษาระดับอุณหภูมิที่สูงถึง 600 °C และการจัดการกับคาร์บอนที่สะสมอย่างเหมาะสม หมายความว่าจะต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมอีกมากก่อนที่เครื่องปฏิกรณ์ Bosch จะกลายเป็นความจริงได้ ปัญหาหนึ่งคือ การผลิตธาตุคาร์บอนมีแนวโน้มที่จะทำให้พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาสกปรก (การเกิดคาร์บอนสะสม) ซึ่งเป็นอันตรายต่อประสิทธิภาพของปฏิกิริยา

ปฏิกิริยา Sabatier ได้รับการเสนอให้เป็นขั้นตอนสำคัญในการลดต้นทุนของภารกิจมนุษย์ไปยังดาวอังคาร ( Mars Direct , SpaceX Starship ) ผ่านการใช้ทรัพยากรในพื้นที่ไฮโดรเจนจะถูกรวมเข้ากับ CO2 _จากชั้นบรรยากาศ จากนั้นมีเทนจะถูกเก็บไว้เป็นเชื้อเพลิง และผลิตภัณฑ์ด้านน้ำ จะถูก แยกด้วยไฟฟ้าเพื่อให้ได้ออกซิเจนซึ่งจะถูกทำให้เป็นของเหลวและเก็บไว้เป็นสารออกซิไดเซอร์ และไฮโดรเจนจะถูกนำกลับมารีไซเคิลในเครื่องปฏิกรณ์ ไฮโดรเจนดั้งเดิมสามารถขนส่งมาจากโลกหรือแยกจากแหล่งน้ำบนดาวอังคารได้^{[ 22 ] [ 23 ]}

การนำเข้าไฮโดรเจนในปริมาณเล็กน้อยช่วยหลีกเลี่ยงการค้นหาน้ำ และใช้เพียงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์_จากชั้นบรรยากาศ เท่านั้น

"สามารถใช้ปฏิกิริยาเมทาเนชัน Sabatier พื้นฐานแบบแปรผันได้โดยใช้เตียงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผสมและการเปลี่ยนก๊าซน้ำแบบย้อนกลับในเครื่องปฏิกรณ์เดียวเพื่อผลิตมีเทนจากวัตถุดิบที่มีอยู่บนดาวอังคาร โดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร การทดสอบต้นแบบในปี 2011 ที่เก็บเกี่ยว CO2 _จากชั้นบรรยากาศจำลองของดาวอังคารและทำปฏิกิริยากับ H2 _ผลิตเชื้อเพลิงจรวดมีเทนได้ในอัตรา 1 กก./วัน โดยทำงานอย่างอิสระเป็นเวลา 5 วันติดต่อกัน รักษาอัตราการแปลงเกือบ 100% ระบบที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดของการออกแบบนี้ที่มีมวล 50 กก. "คาดว่าจะผลิตเชื้อเพลิง O2:CH4 ได้ 1 กก./วัน_...ด้วย_ความบริสุทธิ์ของมีเทน 98% ขึ้นไป ในขณะที่ใช้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 17 kWh ต่อวัน (ที่กำลังไฟต่อเนื่อง 700 W) อัตราการแปลงหน่วยโดยรวมที่คาดหวังจากระบบที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดคือเชื้อเพลิงหนึ่งตันต่อพลังงานขาเข้า 17 MWh ^{[ 24 ]} "

อัตราส่วนทางเคมีของสารออกซิไดเซอร์และเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ออกซิเจน/มีเทนคือ 2:1:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}}$

อย่างไรก็ตาม การไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์ Sabatier เพียงครั้งเดียวจะให้สัดส่วนเพียง 1:1 เท่านั้น สามารถผลิตออกซิเจนได้มากขึ้นโดยการทำปฏิกิริยาเปลี่ยนก๊าซน้ำ (WGSR) ในทางกลับกัน (RWGS) ซึ่งเป็นการดึงออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศโดยการ ลด คาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์

อีกทางเลือกหนึ่งคือการผลิตมีเทนมากกว่าที่ต้องการและไพโรไลซิสส่วนเกินให้กลายเป็นคาร์บอนและไฮโดรเจน (ดูส่วนด้านบน) โดยไฮโดรเจนจะถูกนำกลับมาใช้ในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อผลิตมีเทนและน้ำเพิ่มเติม ในระบบอัตโนมัติ คาร์บอนที่สะสมอยู่อาจถูกกำจัดออกโดยการพ่นด้วย CO2 ร้อนจากดาวอังคาร ซึ่ง_จะออกซิไดซ์คาร์บอนให้กลายเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ (ผ่านปฏิกิริยา Boudouard ) แล้วระบายออก^{[ 25 ]}

วิธีแก้ ปัญหา เรื่องสัดส่วนทางเคมี ข้อที่สี่ คือ การรวมปฏิกิริยา Sabatier เข้ากับปฏิกิริยาผันกลับของการเปลี่ยนก๊าซน้ำ (RWGS) ในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน ดังนี้:

${\displaystyle {\ce {3CO2 + 6H2 -> CH4 + 2CO + 4H2O}}}$

ปฏิกิริยานี้คายความร้อนเล็กน้อย และเมื่อทำการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า จะได้อัตราส่วนออกซิเจนต่อมีเทนที่ 2:1

ไม่ว่าจะใช้วิธีใดในการตรึงออกซิเจน กระบวนการโดยรวมสามารถสรุปได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

${\displaystyle {\ce {2H2 + 3CO2 -> CH4 + 2O2 + 2CO}}}$

เมื่อพิจารณาจากมวลโมเลกุล พบว่ามีการผลิตมีเทน 16 กรัมและออกซิเจน 64 กรัม โดยใช้ไฮโดรเจน 4 กรัม (ซึ่งจะต้องนำเข้าจากโลก เว้นแต่จะมีการแยกน้ำบนดาวอังคารด้วยไฟฟ้า) ทำให้ได้มวลเพิ่มขึ้นในอัตราส่วน 20:1 และมีเทนกับออกซิเจนอยู่ในอัตราส่วนทางเคมีที่เหมาะสมสำหรับการเผาไหม้ในเครื่องยนต์จรวด การใช้ทรัพยากร ในพื้นที่ แบบนี้ จะช่วยลดน้ำหนักและค่าใช้จ่ายได้อย่างมหาศาลสำหรับภารกิจสำรวจดาวอังคารโดยมนุษย์หรือภารกิจเก็บตัวอย่างกลับมายังโลก

• การใช้ทรัพยากรในพื้นที่  – การนำวัสดุที่เก็บเกี่ยวได้ในอวกาศมาใช้ประโยชน์ในด้านการบินและอวกาศ
• ไมโครลิธ (เครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยา)  – ยี่ห้อของเครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยา^{[ 26 ]}
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีไฮโดรเจน
• การปฏิรูปด้วยไอน้ำ  – วิธีการผลิตไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์จากเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน
• การไพโรไลซิสของมีเทน (เพื่อผลิตไฮโดรเจน)
• กระบวนการฟิชเชอร์-โทรปช์  – ปฏิกิริยาเคมีที่เปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนให้กลายเป็นไฮโดรคาร์บอนเหลว
• กระบวนการสร้างมีเทนด้วยไฟฟ้า
• การลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยไฟฟ้าเคมี
• กระบวนการฮาเบอร์  – กระบวนการทางอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตแอมโมเนีย

• ภารกิจส่งมนุษย์ไปดาวอังคาร
• การพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ซาบาเทียร์รุ่นปรับปรุง
• ปรับปรุงปฏิกิริยา Sabatier เพื่อการใช้ทรัพยากรในพื้นที่จริงในภารกิจสำรวจดาวอังคาร
• คำแนะนำ วิดีโอ และทฤษฎีเกี่ยวกับการทดลองเมทาเนชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา