苏州大学王殳凹教授团队及其合作者在Nature上发表论文

导读

近日，苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室王殳凹教授、王亚星教授团队联合苏州大学纳米科学技术学院、西安高新技术研究所、西北核技术研究所、湘潭大学等研究人员提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池结构设计理念（图1），通过将锕系元素与发光镧系元素的分子层级耦合，实现了放射性核素衰变能到光能转换效率近8000倍的提升并组装了目前已知效率最高的辐光伏核电池。研究成果“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”在《自然》（Nature）上发表。

图1：新型锕系微型核电池的结构设计理念示意图

微型核电池是将放射性同位素衰变能转换为电能的装置，得益于放射性同位素衰变不受外界环境影响的特性，微型核电池在诸多传统电池难以胜任或面临挑战的应用场景中，成为了一种持久且不可或缺的能源解决方案。锕系核素尤其是超铀核素如241Am/243Am是核废料中长期放射毒性的主要贡献者，其超长的半衰期和高达兆电子伏特的α（alpha）衰变能促使研究人员探索开发锕系微型能源的可能性。然而，在传统的微型核电池构型中，严重的自吸收效应阻碍了锕系α衰变能的转换，使得高效锕系放射性同位素微核电池的开发极具挑战（图1左）。

针对这一难题，由王殳凹领衔的苏州大学放射化学研究团队在其锕系元素固体化学、分离化学、环境化学以及防护化学领域系列研究进展的基础上，提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池架构，其中锕系核素243Am和发光镧系元素Tb3+共组装成晶态配位聚合物，且它们之间的距离处于埃米范围之内，从而实现了放射性核素与能量转换单元在分子层级的耦合（图1右）。243Am衰变产生的α粒子能量可极为高效地沉积到周围的镧系元素上，继而产生显著的辐射发光现象。在仅使用11 μCi放射性核素用量的情况下，研究团队观测到了内置能量转换器中243Am内辐照诱导的肉眼可见的自发光。后续的实验测定了该自发光功率为11.88 nW，衰变能到光能的转换效率高达3.43%（图2）。

图2：内置能量转换器的合成与表征

研究团队通过实验测定和理论模拟两个角度进一步验证了内置能量转换器可以显著提高能量转换效率。实验结果表明，放射性核素内置模式下从衰变能到光能的能量转化效率比传统结构提高近8000倍。蒙特卡洛模拟结果也表明，放射性核素内置模式下，α粒子的通量和平均能量均显著大于传统的放射源外置模式（图3）。此外，内置能量转化器还表现出卓越的结构稳定性和发光稳定性，将其与光伏电池相结合，能够将长期稳定的自发光转化为电能输出。据此，研究团队开发了一种全新的锕系微型辐光伏核电池，实现了目前破纪录的0.889%的总能量转换效率和139 μW·Ci-1的单位活度功率。同时，该微型核电池在持续运行200小时内，性能参数几乎没有衰减（图4）。该成果作为近几十年来核电池领域的重要突破之一，为锕系核素在非核燃料循环领域的资源化利用打开了新的方向。

图3：能量转换过程的实验和理论研究

图4： 新型锕系微型核电池的性能研究

苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室副研究员李凯、副教授闫聪冲以及博士生王俊人为该论文工作的共同第一作者，苏州大学王殳凹、王亚星，西北核技术研究所、湘潭大学欧阳晓平院士为共同通讯作者。苏州大学柴之芳院士、孙亮副教授等在辐射能量转换理论上给予了重要指导，苏州大学纳米科学技术学院马万里教授、袁建宇教授课题组为本项目中光伏电池的筛选与制作提供了实验支撑。西安高新技术研究所姬国勋副教授在微型核电池测试方面作出了贡献。该工作得到了国家自然科学基金委、江苏省科技厅、新基石科学基金会等的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07933-9

来源：苏州大学