近日，蘇(su)州(zhou)大學放射醫學與(yu)(yu)輻(fu)射防護國家重點實驗室王殳(shu)凹教授(shou)、王亞星教授(shou)團(tuan)隊聯合蘇(su)州(zhou)大學納米科學技術學院、西(xi)安高新技術研究(jiu)(jiu)所、西(xi)北核技術研究(jiu)(jiu)所、湘潭大學等研究(jiu)(jiu)人員提出了(le)(le)(le)一(yi)種基于“內置能量轉(zhuan)換器”的(de)(de)錒(a)系(xi)微型核電池(chi)結構設(she)計理念(圖1)，通過將(jiang)錒(a)系(xi)元素(su)與(yu)(yu)發光(guang)鑭系(xi)元素(su)的(de)(de)分子層級耦合，實現了(le)(le)(le)放射性核素(su)衰變能到光(guang)能轉(zhuan)換效(xiao)率近8000倍的(de)(de)提升(sheng)并組裝了(le)(le)(le)目(mu)前已知效(xiao)率最高的(de)(de)輻(fu)光(guang)伏核電池(chi)。

研究成果“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”在《自(zi)然》(Nature)上發表。

圖1：新型錒(a)系微型核電池的結構設計理念(nian)示(shi)意圖

微(wei)型(xing)核電池是(shi)將放射性(xing)(xing)同位(wei)素衰變能轉換為電能的裝(zhuang)置(zhi)，得益于放射性(xing)(xing)同位(wei)素衰變不受外界環境影響的特性(xing)(xing)，微(wei)型(xing)核電池在諸多傳(chuan)統電池難以勝(sheng)任或面臨挑戰的應用(yong)場景中，成為了(le)一種持久(jiu)且(qie)不可或缺的能源(yuan)解(jie)決方案。

錒(a)系(xi)核(he)(he)素尤(you)其是超鈾(you)核(he)(he)素如241Am/243Am是核(he)(he)廢料中長期放(fang)射(she)(she)毒性(xing)(xing)的主要貢(gong)獻者，其超長的半(ban)衰(shuai)期和高(gao)達兆電(dian)子(zi)伏特的α(alpha)衰(shuai)變能促使研究(jiu)人員探索(suo)開發錒(a)系(xi)微型(xing)(xing)能源的可能性(xing)(xing)。然(ran)而，在(zai)傳統的微型(xing)(xing)核(he)(he)電(dian)池構(gou)型(xing)(xing)中，嚴重的自吸收效應阻礙(ai)了錒(a)系(xi)α衰(shuai)變能的轉(zhuan)換，使得(de)高(gao)效錒(a)系(xi)放(fang)射(she)(she)性(xing)(xing)同位素微核(he)(he)電(dian)池的開發極具挑戰(圖(tu)1左)。

針對這一(yi)難題，由王殳凹領銜的蘇州大(da)學(xue)放(fang)射化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊在其錒(a)系元(yuan)(yuan)素(su)固體化(hua)學(xue)、分(fen)離化(hua)學(xue)、環境(jing)化(hua)學(xue)以及防護化(hua)學(xue)領域系列研(yan)究(jiu)進展的基礎上，提出了(le)一(yi)種基于(yu)“內置能(neng)量(liang)轉換器”的錒(a)系微(wei)型核(he)電池架(jia)構(gou)，其中錒(a)系核(he)素(su)243Am和發光(guang)鑭(lan)系元(yuan)(yuan)素(su)Tb3+共組裝成晶態配位聚(ju)合物(wu)，且它(ta)們之(zhi)間的距離處于(yu)埃(ai)米范圍(wei)之(zhi)內，從(cong)而(er)實現(xian)了(le)放(fang)射性核(he)素(su)與能(neng)量(liang)轉換單元(yuan)(yuan)在分(fen)子層級的耦合圖1右)。

243Am衰變產(chan)生的(de)α粒子(zi)能(neng)(neng)量可極為(wei)高(gao)效地(di)沉積到周圍的(de)鑭系元素上，繼而產(chan)生顯著的(de)輻(fu)(fu)射發光(guang)現象。在僅使(shi)用11 μCi放射性(xing)核素用量的(de)情況下(xia)，研(yan)究團隊觀測到了內置(zhi)能(neng)(neng)量轉換器中243Am內輻(fu)(fu)照誘導(dao)的(de)肉(rou)眼可見的(de)自發光(guang)。后續的(de)實(shi)驗(yan)測定(ding)了該自發光(guang)功率為(wei)11.88 nW，衰變能(neng)(neng)到光(guang)能(neng)(neng)的(de)轉換效率高(gao)達(da)3.43%(圖(tu)2)。

圖2：內(nei)置能量(liang)轉換器的合成(cheng)與表征

研(yan)究團隊通過實(shi)(shi)驗(yan)測(ce)定和理論模(mo)擬兩個角度(du)進一步驗(yan)證了內置能(neng)量轉換(huan)器(qi)可以顯(xian)著提高能(neng)量轉換(huan)效率。實(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)表明，放射性核素內置模(mo)式(shi)下從衰變(bian)能(neng)到光(guang)能(neng)的能(neng)量轉化效率比傳統結(jie)構提高近8000倍。

蒙特(te)卡洛模擬結果(guo)也表明，放(fang)射(she)性核素內置模式下，α粒子的(de)通量和平均(jun)能量均(jun)顯著(zhu)大于傳統的(de)放(fang)射(she)源外置模式(圖(tu)3)。此(ci)外，內置能量轉(zhuan)化(hua)器還表現(xian)出卓(zhuo)越的(de)結構(gou)穩定性和發光穩定性，將其(qi)與光伏(fu)電池相結合(he)，能夠(gou)將長(chang)期穩定的(de)自發光轉(zhuan)化(hua)為(wei)電能輸出。

據此，研(yan)究團(tuan)隊開發了一種全新的(de)(de)(de)錒(a)系(xi)微型輻光(guang)伏核(he)電池(chi)，實(shi)現(xian)了目前(qian)破(po)紀(ji)錄的(de)(de)(de)0.889%的(de)(de)(de)總(zong)能量轉換效率(lv)和139 μW·Ci-1的(de)(de)(de)單位活度功率(lv)。同(tong)時，該微型核(he)電池(chi)在持續運行200小時內，性能參數幾乎沒有衰減(圖4)。該成果作為近幾十年來核(he)電池(chi)領域的(de)(de)(de)重(zhong)要突(tu)破(po)之一，為錒(a)系(xi)核(he)素在非核(he)燃料循環領域的(de)(de)(de)資源化利用打開了新的(de)(de)(de)方向(xiang)。

圖3：能量轉換(huan)過程的實驗和理論研究

圖4：新型錒系(xi)微(wei)型核電池(chi)的性能研究

蘇(su)州大學放(fang)射(she)醫學與輻射(she)防護國家重點實驗室副研究員李(li)凱、副教授閆聰沖以及博士(shi)生王(wang)(wang)俊人為該論文(wen)工作的共(gong)(gong)同第一(yi)作者(zhe)，蘇(su)州大學王(wang)(wang)殳凹、王(wang)(wang)亞星(xing)，西北核技術(shu)研究所(suo)、湘潭(tan)大學歐(ou)陽曉平院士(shi)為共(gong)(gong)同通訊作者(zhe)。

蘇(su)州(zhou)大學(xue)(xue)柴(chai)之芳(fang)院士、孫亮副(fu)教授(shou)(shou)等(deng)在輻射能量轉換理論(lun)上給予了(le)重(zhong)要指導，蘇(su)州(zhou)大學(xue)(xue)納米科學(xue)(xue)技(ji)術(shu)學(xue)(xue)院馬萬里教授(shou)(shou)、袁建宇教授(shou)(shou)課題(ti)組為本項目(mu)中光伏電(dian)池的篩選與(yu)制作提供了(le)實驗(yan)支撐(cheng)。西安高(gao)新技(ji)術(shu)研(yan)究所(suo)姬國(guo)勛副(fu)教授(shou)(shou)在微(wei)型核電(dian)池測試方面作出了(le)貢獻。該工作得到了(le)國(guo)家自然科學(xue)(xue)基金委、江蘇(su)省科技(ji)廳、新基石(shi)科學(xue)(xue)基金會等(deng)的資助。