可用上千年！效率最高的輻光伏核電池在我國面世

蘇州大學新聞網9月18日消息，近日，蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室王殳凹教授、王亞星教授團隊聯合蘇州大學納米科學技術學院、西安高新技術研究所、西北核技術研究所、湘潭大學等研究人員提出了一種基於“內置能量轉換器”的錒系微型核電池結構設計理念（圖1），通過將錒系元素與發光鑭系元素的分子層級耦合，實現了放射性核素衰變能到光能轉換效率近8000倍的提升並組裝了目前已知效率最高的輻光伏核電池。研究成果“Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer”在《自然》（Nature）上發表。

圖1：新型錒系微型核電池的結構設計理念示意圖

微型核電池是將放射性同位素衰變能轉換為電能的裝置，得益於放射性同位素衰變不受外界環境影響的特性，微型核電池在諸多傳統電池難以勝任或面臨挑戰的應用場景中，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是核廢料中長期放射毒性的主要貢獻者，其超長的半衰期和高達兆電子伏特的α（alpha）衰變能促使研究人員探索開發錒系微型能源的可能性。然而，在傳統的微型核電池構型中，嚴重的自吸收效應阻礙了錒系α衰變能的轉換，使得高效錒系放射性同位素微核電池的開發極具挑戰（圖1左）。:

針對這一難題，由王殳凹領銜的蘇州大學放射化學研究團隊在其錒系元素固體化學、分離化學、環境化學以及防護化學領域系列研究進展的基礎上，提出了一種基於“內置能量轉換器”的錒系微型核電池架構，其中錒系核素243Am和發光鑭系元素Tb3+共組裝成晶態配位聚合物，且它們之間的距離處於埃米範圍之內，從而實現了放射性核素與能量轉換單元在分子層級的耦合（圖1右）。243Am衰變產生的α粒子能量可極為高效地沉積到周圍的鑭系元素上，繼而產生顯著的輻射發光現象。在僅使用11 μCi放射性核素用量的情況下，研究團隊觀測到了內置能量轉換器中243Am內輻照誘導的肉眼可見的自發光。後續的實驗測定了該自發光功率為11.88 nW，衰變能到光能的轉換效率高達3.43%（圖2）。

圖2：內置能量轉換器的合成與表徵

研究團隊通過實驗測定和理論模擬兩個角度進一步驗證了內置能量轉換器可以顯著提高能量轉換效率。實驗結果表明，放射性核素內置模式下從衰變能到光能的能量轉化效率比傳統結構提高近8000倍。蒙特卡洛模擬結果也表明，放射性核素內置模式下，α粒子的通量和平均能量均顯著大於傳統的放射源外置模式（圖3）。此外，內置能量轉化器還表現出卓越的結構穩定性和發光穩定性，將其與光伏電池相結合，能夠將長期穩定的自發光轉化為電能輸出。據此，研究團隊開發了一種全新的錒系微型輻光伏核電池，實現了目前破紀錄的0.889%的總能量轉換效率和139 μW·Ci-1的單位活度功率。同時，該微型核電池在持續運行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電池領域的重要突破之一，為錒系核素在非核燃料循環領域的資源化利用打開了新的方向。

圖3：能量轉換過程的實驗和理論研究

圖4： 新型錒系微型核電池的性能研究

蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室副研究員李凱、副教授閆聰衝以及博士生王俊人為該論文工作的共同第一作者，蘇州大學王殳凹、王亞星，西北核技術研究所、湘潭大學歐陽曉平院士為共同通訊作者。蘇州大學柴之芳院士、孫亮副教授等在輻射能量轉換理論上給予了重要指導，蘇州大學納米科學技術學院馬萬里教授、袁建宇教授課題組為本項目中光伏電池的篩選與製作提供了實驗支撐。西安高新技術研究所姬國勳副教授在微型核電池測試方面作出了貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、江蘇省科技廳、新基石科學基金會等的資助。