近日，蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王殳凹教授、王亞星教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院、西安高新技術(shù)研究所、西北核技術(shù)研究所、湘潭大學(xué)等研究人員提出了一種基于“內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器”的錒系微型核電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念（圖1），通過(guò)將錒系元素與發(fā)光鑭系元素的分子層級(jí)耦合，實(shí)現(xiàn)了放射性核素衰變能到光能轉(zhuǎn)換效率近8000倍的提升并組裝了目前已知效率最高的輻光伏核電池。研究成果以‘Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer’為題，于2024年9月18日發(fā)表在《Nature》雜志上。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9。
圖1 新型錒系微型核電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念示意圖
微型核電池是將放射性同位素衰變能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，得益于放射性同位素衰變不受外界環(huán)境影響的特性，微型核電池在諸多傳統(tǒng)電池難以勝任或面臨挑戰(zhàn)的應(yīng)用場(chǎng)景中，成為了一種持久且不可或缺的能源解決方案。錒系核素尤其是超鈾核素如241Am/243Am是核廢料中長(zhǎng)期放射毒性的主要貢獻(xiàn)者，其超長(zhǎng)的半衰期和高達(dá)兆電子伏特的α（alpha）衰變能促使研究人員探索開(kāi)發(fā)錒系微型能源的可能性。然而，在傳統(tǒng)的微型核電池構(gòu)型中，嚴(yán)重的自吸收效應(yīng)阻礙了錒系α衰變能的轉(zhuǎn)換，使得高效錒系放射性同位素微核電池的開(kāi)發(fā)極具挑戰(zhàn)（圖1左）。
針對(duì)這一難題，由王殳凹教授領(lǐng)銜的蘇州大學(xué)放射化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在其錒系元素固體化學(xué)、分離化學(xué)、環(huán)境化學(xué)以及防護(hù)化學(xué)領(lǐng)域系列研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了一種基于‘內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器’的錒系微型核電池架構(gòu)，其中錒系核素243Am和發(fā)光鑭系元素Tb3+共組裝成晶態(tài)配位聚合物，且它們之間的距離處于埃米范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了放射性核素與能量轉(zhuǎn)換單元在分子層級(jí)的耦合（圖1右）。243Am衰變產(chǎn)生的α粒子能量可極為高效地沉積到周圍的鑭系元素上，繼而產(chǎn)生顯著的輻射發(fā)光現(xiàn)象。在僅使用11 μCi放射性核素用量的情況下，研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器中243Am內(nèi)輻照誘導(dǎo)的肉眼可見(jiàn)的自發(fā)光。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定了該自發(fā)光功率為11.88 nW，衰變能到光能的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)3.43%（圖2）。
圖2 內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器的合成與表征
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論模擬兩個(gè)角度進(jìn)一步驗(yàn)證了內(nèi)置能量轉(zhuǎn)換器可以顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放射性核素內(nèi)置模式下從衰變能到光能的能量轉(zhuǎn)化效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高近8000倍。蒙特卡洛模擬結(jié)果也表明，放射性核素內(nèi)置模式下，α粒子的通量和平均能量均顯著大于傳統(tǒng)的放射源外置模式（圖3）。此外，內(nèi)置能量轉(zhuǎn)化器還表現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和發(fā)光穩(wěn)定性，將其與光伏電池相結(jié)合，能夠?qū)㈤L(zhǎng)期穩(wěn)定的自發(fā)光轉(zhuǎn)化為電能輸出。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種全新的錒系微型輻光伏核電池，實(shí)現(xiàn)了目前破紀(jì)錄的0.889%的總能量轉(zhuǎn)換效率和139 μW?Ci-1的單位活度功率。同時(shí)，該微型核電池在持續(xù)運(yùn)行200小時(shí)內(nèi)，性能參數(shù)幾乎沒(méi)有衰減（圖4）。該成果作為近幾十年來(lái)核電池領(lǐng)域的重要突破之一，為錒系核素在非核燃料循環(huán)領(lǐng)域的資源化利用打開(kāi)了新的方向。
蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與輻射防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員李凱、副教授閆聰沖以及博士生王俊人為該論文工作的共同第一作者，蘇州大學(xué)王殳凹教授、王亞星教授、西北核技術(shù)研究所/湘潭大學(xué)歐陽(yáng)曉平院士為共同通訊作者。蘇州大學(xué)柴之芳院士、孫亮副教授等在輻射能量轉(zhuǎn)換理論上給予了重要指導(dǎo)，蘇州大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院馬萬(wàn)里教授、袁建宇教授課題組為本項(xiàng)目中光伏電池的篩選與制作提供了實(shí)驗(yàn)支撐。西安高新技術(shù)研究所姬國(guó)勛副教授在微型核電池測(cè)試方面做出了貢獻(xiàn)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、江蘇省科技廳、新基石科學(xué)基金會(huì)等的資助。
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