{"id":566,"date":"2024-09-24T15:59:05","date_gmt":"2024-09-24T13:59:05","guid":{"rendered":"https:\/\/www.minesparis.psl.eu\/persee\/?page_id=566"},"modified":"2025-09-02T10:22:30","modified_gmt":"2025-09-02T08:22:30","slug":"aerogels","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.minesparis.psl.eu\/persee\/la-recherche\/aerogels\/","title":{"rendered":"A\u00e9rogels"},"content":{"rendered":"\n
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Les a\u00e9rogels en bref<\/strong><\/h2>\n
Proc\u00e9d\u00e9 d\u2019\u00e9laboration et principales caract\u00e9ristiques<\/strong><\/h5>\n

Les a\u00e9rogels sont des mat\u00e9riaux issus de la chimie douce. Ils sont obtenus par s\u00e9chage contr\u00f4l\u00e9 de gels nanostructur\u00e9s et m\u00e9soporeux synth\u00e9tis\u00e9s par voie sol-gel. Leurs propri\u00e9t\u00e9s sont \u00e9tablies en solution ; le s\u00e9chage veillant \u00e0 pr\u00e9server l\u2019int\u00e9grit\u00e9 morphologique du gel. La plupart du temps l\u2019\u00e9tape de s\u00e9chage doit s\u2019effectuer en conditions supercritiques.<\/p>\n

Les a\u00e9rogels sont g\u00e9n\u00e9ralement ultraporeux et tr\u00e8s l\u00e9gers. Leur grande surface sp\u00e9cifique (plusieurs centaines de m\u00b2 par gramme) leur a valu d\u2019\u00eatre \u00e9tudi\u00e9s \u00e0 l\u2019origine dans le domaine de la catalyse. En fonction de leur texturation interne et de leur nature chimique, ils d\u00e9veloppent de nombreuses autres propri\u00e9t\u00e9s physiques particuli\u00e8rement int\u00e9ressantes, notamment vis-\u00e0-vis d\u2019applications dans la sph\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique.\nEtudi\u00e9e depuis les ann\u00e9es \u201930 aux Etats-Unis puis en Europe et enfin \u00e0 \u00e9chelle mondiale, cette famille de mat\u00e9riaux innovants a \u00e9t\u00e9 identifi\u00e9e comme l\u2019une des dix technologies \u00e9mergentes par l\u2019IUPAC en 2022 (section Chimie).<\/p>\n

De la conservation \u00e0 la conversion de l\u2019\u00e9nergie<\/strong><\/p>\n

Les premiers travaux conduits au Centre se sont concentr\u00e9s sur les a\u00e9rogels de silice pour la superisolation thermique avec le soutien de l\u2019ADEME et de la Commission europ\u00e9enne, en partenariat avec le CSTB, l\u2019universit\u00e9 Claude-Bernard Lyon 1, la soci\u00e9t\u00e9 PCAS et les universit\u00e9s danoises et norv\u00e9giennes DTU et NTNU. Ces travaux fondateurs ont rapidement \u00e9t\u00e9 \u00e9tendus aux a\u00e9rogels de carbone (et aux a\u00e9rogels organiques dont ils sont issus) pour des applications de type supercondensateurs puis \u00e9lectrodes de piles \u00e0 combustible. Aujourd\u2019hui nos recherches portent sur de nombreuses autres familles (oxydes m\u00e9talliques de type TiO2<\/sub> et SnO2<\/sub>, polyur\u00e9thane, a\u00e9rogels biosourc\u00e9s \u00e0 base de pectine en collaboration avec le CEMEF et plus r\u00e9cemment, a\u00e9rogels m\u00e9talliques). De nouvelles applications \u00e9mergentes sont \u00e9tudi\u00e9es au Centre (photo-r\u00e9duction du CO2<\/sub>, production d\u2019hydrog\u00e8ne bas carbone, \u2026).<\/p>\n

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\"Isolation<\/p>\n\t\t<\/div>\n\t\t

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Superisolants thermiques pour les enveloppes\u00a0 faiblement d\u00e9perditives<\/strong><\/h2>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n\n
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Des besoins patents<\/strong><\/p>\n

Dans de nombreux secteurs la maitrise des d\u00e9perditions thermiques reste un enjeu strat\u00e9gique. Aussi bien vis-\u00e0-vis du changement climatique (secteur du b\u00e2timent, \u2026) que de l\u2019efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique (v\u00e9hicules \u00e9lectriques, semiconducteurs, \u2026). Les isolants traditionnels ayant atteint leurs limites physiques, les \u00e9volutions attendues passeront par le d\u00e9veloppement de nouveaux composants d\u2019isolation (par exemple ayant recours aux technologies du vide) et\/ou de mat\u00e9riaux plus performants.<\/p>\n

Des atouts \u00e9vidents<\/strong><\/p>\n

Certains mat\u00e9riaux a\u00e9rogels repr\u00e9sentent en puissance une partie de la solution[2]<\/sup>. C\u2019est typiquement le cas des a\u00e9rogels de silice. Leur m\u00e9soporosit\u00e9 permet de confiner l\u2019air (par effet Knudsen) et de r\u00e9duire \u00e0 la portion congrue la part de conduction gazeuse. La nanostructuration et la tortuosit\u00e9 de leur squelette, combin\u00e9es \u00e0 leur tr\u00e8s faible masse volumique (de l\u2019ordre de 0.1 g\/cm3<\/sup>) et \u00e0 la conductivit\u00e9 intrins\u00e8quement faible de la silice, sont autant de facteurs qui concourent \u00e0 r\u00e9duire drastiquement la conduction solide. A temp\u00e9rature ambiante les a\u00e9rogels sont les solides les plus isolants connus, avec des niveaux de conductivit\u00e9 thermique qui peuvent d\u00e9sormais atteindre 12 mW\/m.K.<\/p>\n

Il y a plus de 30 ans, le Centre a initi\u00e9 ses travaux sur la superisolation thermique en se concentrant sur les a\u00e9rogels de silice. Il a progressivement \u00e9tendu ses recherches aux a\u00e9rogels organiques puis aux a\u00e9rogels biosourc\u00e9s.<\/p>\n

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Les silices superisolantes<\/strong>\n<\/em><\/h3>\n\t\t<\/div>\n\t\t
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Les travaux originels<\/strong><\/p>\n

Au vu des enjeux \u00e9nerg\u00e9tiques, les recherches originelles se sont focalis\u00e9es sur les enveloppes de b\u00e2timent.\u00a0Nos premiers travaux \u2013 men\u00e9s en collaboration avec AIRGLASS, pr\u00e9curseur su\u00e9dois du domaine – ont port\u00e9 sur le d\u00e9veloppement d\u2019a\u00e9rogels de silice monolithiques de grandes dimensions, superisolants et transparents, pour les doubles-vitrages \u00e0 isolation renforc\u00e9e. Malgr\u00e9 de tr\u00e8s bonnes propri\u00e9t\u00e9s thermiques et optiques (facteurs de transmission U = 0.5 W\/m\u00b2.K et g = 0.7), le caract\u00e8re batch <\/em>du proc\u00e9d\u00e9 et la nature supercritique du s\u00e9chage n\u2019ont pas rendu possible un d\u00e9veloppement \u00e0 plus grande \u00e9chelle.<\/p>\n

Ou comment s\u2019affranchir du s\u00e9chage supercritique<\/strong><\/p>\n

Nous nous sommes alors employ\u00e9s \u00e0 requestionner le proc\u00e9d\u00e9 pour d\u00e9velopper une alternative au s\u00e9chage supercritique. Nos travaux sur la fonctionnalisation de la surface des pores du gel de silice, en plus de rendre hydrophobe le mat\u00e9riau sec, ont permis de produire des silices superisolantes par simple s\u00e9chage \u00e9vaporatif en conditions m\u00e9nag\u00e9es [3]<\/sup>. Le brevet issu de ces travaux est \u00e0 la base de la cr\u00e9ation en 2010 de la start-up ENERSENS, spin-off de la soci\u00e9t\u00e9 PCAS, l\u2019un de nos partenaires historiques. Sous forme granulaire ces mat\u00e9riaux ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9s pour des applications dans le domaine de l\u2019ITE (isolation thermique par l\u2019ext\u00e9rieur). La collaboration avec la soci\u00e9t\u00e9 PAREXGROUP a permis de mettre au point un mortier d\u2019enduit ext\u00e9rieur 100% min\u00e9ral, pr\u00e9sentant une conductivit\u00e9 thermique nettement plus faible que les meilleurs produits commerciaux.<\/p>\n

De nouveaux composites<\/strong><\/p>\n

Ces recherches ont \u00e9galement donn\u00e9 lieu \u00e0 des travaux sur les blankets <\/em>de silice (mat\u00e9riaux superisolants adapt\u00e9s \u00e0 d\u2019autres syst\u00e8mes applicatifs au vu de leur caract\u00e8re flexible) [4]<\/sup> et le renforcement m\u00e9canique des matrices par des technologies de type composites (dispersion contr\u00f4l\u00e9e de fibres courtes) [5]<\/sup>. Ou comment allier conductivit\u00e9 thermique extr\u00eamement faible et propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques augment\u00e9es.<\/p>\n

Aujourd\u2019hui l\u2019un des principaux enjeux de la fili\u00e8re concerne l\u2019am\u00e9lioration globale de la chaine d\u2019\u00e9laboration afin de r\u00e9duire le cout du mat\u00e9riau final.<\/p>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n

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Les superisolants organiques et biosourc\u00e9s<\/strong><\/em><\/h3>\n\t\t<\/div>\n\t\t
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Du min\u00e9ral \u00e0 l\u2019organique<\/strong><\/p>\n

Bas\u00e9 sur des intrants chimiques plus abordables, le recours au sol-gel organique peut potentiellement permettre de r\u00e9duire le cout d\u2019\u00e9laboration tout en am\u00e9liorant les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques. C\u2019est dans cet objectif que nous nous sommes concentr\u00e9s sur le d\u00e9veloppement d\u2019a\u00e9rogels de polyur\u00e9thane [6]<\/sup>. Les conductivit\u00e9s thermiques atteintes s\u2019av\u00e8rent du m\u00eame ordre que celle des a\u00e9rogels de silice, le comportement m\u00e9canique \u00e9tant pour sa part significativement plus adapt\u00e9 aux contraintes attendues.<\/p>\n

Vers plus de biosourc\u00e9<\/strong><\/p>\n

Au-del\u00e0 du seul aspect \u00e9conomique, pour une adoption plus large par le secteur industriel et une meilleure acceptation soci\u00e9tale, les mat\u00e9riaux \u2013 tout particuli\u00e8rement ceux de grande diffusion \u2013 doivent, de mani\u00e8re g\u00e9n\u00e9rale, d\u00e9sormais plus et mieux int\u00e9grer les dimensions environnementale et sanitaire. Forts de ce constat nous avons orient\u00e9 nos recherches en ce sens en substituant le polyol r\u00e9ticulant classique par une macromol\u00e9cule cellulosique, l\u2019ac\u00e9tate de cellule (projet ANR NANOCEL 2010-2013), \u0153uvrant ainsi \u00ab au verdissement \u00bb concret des polyur\u00e9thanes sol-gel superisolants [7]<\/sup>. La performance thermique reste excellente et les propri\u00e9t\u00e9s m\u00e9caniques sont encore meilleures. Evidemment le recours aux isocyanates demeure \u2026<\/p>\n

Notre collaboration avec le CEMEF<\/strong><\/p>\n

Durant la derni\u00e8re d\u00e9cennie un nouveau champ de recherche s\u2019est ouvert autour des a\u00e9rogels biosourc\u00e9s (cellulose, alginate, amidon, lignine, \u2026). C\u2019est dans ce contexte que le CEMEF (MINES Paris \u2013 PSL), avec qui nous collaborons depuis le d\u00e9but des ann\u00e9es 2000 (projet europ\u00e9en AEROCELL 2004-2007), a mis au point des a\u00e9rogels superisolants enti\u00e8rement \u00e0 base de pectine. Cette prouesse ouvre la porte aux superisolants du futur. Toutefois ces mat\u00e9riaux sont hydrophiles et de surcroit n\u00e9cessitent (\u00e0 l\u2019instar des a\u00e9rogels de polyur\u00e9thane) un s\u00e9chage dans les conditions supercritiques. Am\u00e9liorer la tenue thermo-hydrique des pectines superisolantes est indispensable pour maintenir leur morphologie et leur conductivit\u00e9 thermique dans la dur\u00e9e (th\u00e8se Eleni Effraimopoulou, 2022 \u2013 2025) ; s\u2019affranchir du s\u00e9chage supercritique est un passage oblig\u00e9 pour r\u00e9duire les couts et conf\u00e9rer \u00e0 ses nouveaux mat\u00e9riaux une viabilit\u00e9 \u00e9conomique. Il s\u2019agit des deux verrous majeurs auxquels les Centres PERSEE et CEMEF se sont attel\u00e9s [8]<\/sup>.<\/p>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n

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Les a\u00e9rogels pour le stockage et la conversion d\u2019\u00e9nergie<\/h2>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n\n
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Les a\u00e9rogels trouvent \u00e9galement des applications en catalyse, l\u00e0 o\u00f9 leur morphologie contr\u00f4lable \u00e0 loisir lors de la synth\u00e8se appara\u00eet comme un atout majeur. C\u2019est notamment le cas dans les dispositifs de conversion \u00e9lectrochimique comme les piles \u00e0 combustible ou les \u00e9lectrolyseurs, \u00e9tudi\u00e9s dans le groupe MATPRO pour le d\u00e9veloppement de la fili\u00e8re hydrog\u00e8ne<\/a>.<\/span><\/p>\n

D\u2019une part, la porosit\u00e9 (volume poreux et distribution de tailles de pore) modulable des a\u00e9rogels peut \u00eatre ajust\u00e9e aux besoins sp\u00e9cifiques de transport de mati\u00e8re, liquide et\/ou gaz, dans le volume des \u00e9lectrodes concern\u00e9es.<\/span><\/p>\n

D\u2019autre part, leur grande surface sp\u00e9cifique permet une r\u00e9partition surfacique adapt\u00e9e des nanoparticules de catalyseur optimisant la densit\u00e9 de sites actifs au sein des \u00e9lectrodes.<\/span><\/p>\n

Leur morphologie sp\u00e9cifique en fait \u00e9galement des candidats de choix comme mat\u00e9riaux d\u2019\u00e9lectrode pour les batteries ou les supercondensateurs.<\/span><\/p>\n

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Les a\u00e9rogels de carbone<\/em><\/h3>\n\t\t<\/div>\n\t\t
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Utilis\u00e9s comme mat\u00e9riaux d\u2019\u00e9lectrode, les a\u00e9rogels doivent \u00eatre de bons conducteurs \u00e9lectroniques. Nos recherches ont ainsi d\u00e9but\u00e9 sur les a\u00e9rogels de carbone, dans le cadre d\u2019une collaboration avec SAFT sur les \u00e9lectrodes de supercondensateur et avec Renault, sur les supports de catalyseurs comme alternative aux noirs de carbone \u00e0 la cathode des piles \u00e0 combustible \u00e0 membrane \u00e9changeuse de protons (PEMFC).<\/p>\n

De la r\u00e9duction de la charge en platine dans les PEMFC, l\u2019objectif s\u2019est d\u00e9plac\u00e9 vers la mise au point de catalyseurs sans platine et le dopage des a\u00e9rogels de carbone pour introduire des sites actifs int\u00e9grant fer et azote. Des r\u00e9sultats prometteurs ont ainsi \u00e9t\u00e9 obtenus au cours du projet europ\u00e9en PEGASUS<\/a> (2018-2021) auquel le groupe a particip\u00e9 en tant que partenaire acad\u00e9mique.<\/p>\n

Aujourd\u2019hui les travaux se poursuivent d\u2019une part avec Safran sur le d\u00e9veloppement d\u2019\u00e9lectrodes de batteries Li-ion et d\u2019autre part dans le cadre d\u2019un projet bilat\u00e9ral franco-allemand, IDEAS<\/a> (2024-2027) avec la mise au point de supports de nickel pour les cathodes d\u2019\u00e9lectrolyseurs alcalins \u00e0 membrane (AEM).<\/p>\n

En parall\u00e8le nous travaillons ici aussi au \u00ab\u00a0verdissement\u00a0\u00bb de ces mat\u00e9riaux, synth\u00e9tis\u00e9s classiquement \u00e0 partir de r\u00e9sorcinol et formald\u00e9hyde, en proposant de nouveaux pr\u00e9curseurs plus respectueux de l\u2019environnement.<\/p>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n

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Les a\u00e9rogels d\u2019oxydes m\u00e9talliques dop\u00e9s<\/strong><\/em><\/h3>\n

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A l\u2019anode des \u00e9lectrolyseurs \u00e0 membrane \u00e9changeuse de protons (PEMWE), le potentiel d\u00e9passe 1.8 V en fonctionnement, ce qui rend impossible l\u2019utilisation de carbone, instable \u00e0 ce niveau de potentiel. Pour pouvoir d\u00e9velopper un catalyseur support\u00e9 moins riche en iridium (m\u00e9tal plus rare et plus cher que le platine) en remplacement de l\u2019oxyde d\u2019iridium aujourd\u2019hui utilis\u00e9 \u00e0 l\u2019\u00e9tat \u00ab\u00a0massif\u00a0\u00bb sous forme de microparticules, il convient de proposer des supports \u00e0 la fois stables et conducteurs \u00e9lectroniques.<\/p>\n

Les recherches men\u00e9es dans le groupe se sont ainsi \u00e9tendues aux a\u00e9rogels d\u2019oxydes m\u00e9talliques dop\u00e9s (TiO2<\/sub>\u00a0:Nb ou SnO2<\/sub> :Sb, Ta) comme supports de nanoparticules d\u2019oxyde d\u2019iridium (projets ANR MOISE<\/a> (2018-2021), europ\u00e9en PRETZEL<\/a> (2018-2021) et PEPR H2 d\u00e9carbon\u00e9 MATHYLDE<\/a> (2022-2026).<\/p>\n

Le groupe travaille \u00e9galement \u00e0 la mise au point de photocatalyseurs \u00e0 base d\u2019a\u00e9rogels de TiO2<\/sub> codop\u00e9s Nb et N pour la production d\u2019hydrog\u00e8ne bas-carbone ou la r\u00e9duction du CO2<\/sub>.<\/p>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n

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Les a\u00e9rogels m\u00e9talliques<\/em><\/h3>\n

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A l\u2019anode des \u00e9lectrolyseurs alcalins, pas besoin d\u2019iridium, le nickel est suffisamment actif. La nanotexturation du catalyseur reste un enjeu majeur pour optimiser les transports de mati\u00e8re et la densit\u00e9 de sites actifs. Le groupe vient de d\u00e9ployer dans ce cadre son activit\u00e9 sur la synth\u00e8se d\u2019a\u00e9rogels m\u00e9talliques \u00e0 base de nickel pour les \u00e9lectrolyseurs alcalins \u00e0 membrane (projet IDEAS<\/a> 2024-27).<\/span><\/p>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Pour en savoir plus…<\/h2>\n

Publications cit\u00e9es dans cette page:<\/p>\n

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  1. Arnaud Rigacci, Tatiana Budtova, Irina Smirnova. \u00ab\u00a0Aerogels: a fascinating class of materials with a wide potential of application fields\u00a0\u00bb, Journal of Sol-Gel Science and Technology, Springer Verlag, 2017, 84 (3), pp.375-376<\/li>\n
  2. J. Wernery, A. Rigacci, P. Achard, M. Koebel, Aerogels for Superinsulation in Handbook of Aerogels, M.-A. Aegerter et al (Eds.), Springer Verlag, 2023, 1263 \u2013 1288<\/li>\n
  3. A. Bisson, E. Rodier, A. Rigacci, D. Lecomte, P. Achard , \u201cKinetic study of evaporative drying of treated silica gels\u201d, Journal of Non-Crystalline Solids 350 (2004) 230-237<\/li>\n
  4. Mohamad Ibrahim, K\u00e9vin Nocentini, Marina Stipetic, Sebastian Dantz, Francesco Guiseppe Calazzo, Hasan Seayegh, Lorenza Bianco, Multi-field and multi-scale characterization of novel super insulating panels\/systems based on silica aerogels: thermal, hydric, mechanical, acoustic, and fire performance, Building and Environment, 2019, 151, p. 30-42<\/li>\n
  5. Julien Jaxel, Gediminas Markevicius, Arnaud Rigacci, Tatiana Budtova. Thermal superinsulating silica aerogels reinforced with short cellulose fibers, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 103 (2017) 113-121<\/li>\n
  6. R. Pirard, A. Rigacci, J.C. Mar\u00e9chal, P. Achard, D. Quenard, J.P. Pirard, \u201cCharacterization of porous texture of hyperporous polyurethane based xerogels and aerogels by mercury porosimetry using densification equation\u201d, Polymer 44 (2003) 4881 \u2013 4887<\/li>\n
  7. F. Fischer, A. Rigacci, R. Pirard et al., Cellulose-based aerogels, Polymer, 2006, 47 (2006), 7636-7645\u2191<\/a><\/li>\n
  8. Eleni Effraimopoulou, Julien Jaxel, Tatiana Budtova, Arnaud Rigacci, \u00ab\u00a0Hydrophobic modification of pectin aerogels via chemical vapor deposition\u00a0\u00bb, Polymers 16 (2024) 1628<\/li>\n<\/ol>\n

    Autres publications:<\/p>\n

    Guillaume Ozouf, Gwenn Cognard, Fr\u00e9d\u00e9ric Maillard, Marian Chatenet, Laure, Gu\u00e9taz, Marie Heitzmann, Pierre-Andr\u00e9 Jacques, Christian Beauger, Sb-Doped SnO2 Aerogels Based Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: Pt Deposition Routes, Electrocatalytic Activity and Durability, Journal of the Electrochimical Society 165 (6) F3036-F3044 (2018)<\/p>\n

    Luis Sola-Hernandez, Fabien Claudel, Fre\u0301de\u0301ric Maillard and Christian Beauger, Doped tin oxide aerogels as Oxygen Evolution Reaction catalyst supports, International Journal of Hydrogen Energy, \u00a0volume 44, issue 45 (2019) \u00a024331-41 (doi: 10.1016\/j.ijhydene.2019.07.152)<\/p>\n

    Christian Beauger, Laetitia Testut, Sandrine Berthon-Fabry, Fr\u00e9d\u00e9ric Georgo, Laure Gu\u00e9taz, Doped TiO2 aerogels as alternative catalyst supports for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: a comparative study of Nb, V and Ta dopants, Microporous and Mesoporous Materials, 232 (2016) 109-118<\/p>\n

    Mathilde Ouattara-Brigaudet,\u00a0 Sandrine Berthon-Fabry, Christian Beauger, Patrick Achard, Correlations between the catalytic layer composition, the relative humidity and the performance for PEMFC carbon aerogel based membrane electrode assemblies, International Journal of Hydrogen Energy 39 (2014) 1420-1429<\/p>\n

    \n

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