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苏州大学实现微型核电池转换效率近8000倍提升
2024年10月14日 15:04:32
来源：化工仪器网 点击量：5995
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，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
【化工仪器网 项目成果】微型核电池是一种利用放射性同位素衰变能转换为电能的装置，特别适用于传统电池难以胜任或面临挑战的应用场景，如遥感设备、医疗植入物和太空探索等领域。放射性同位素衰变不受外界环境如温度、压力和磁场的影响，因此微型核电池能够提供持久且可靠的能源。然而，传统微型核电池构型中存在严重的自吸收效应，阻碍了高效的能量转换，尤其是针对具有超长半衰期和高达兆电子伏特α衰变能的锕系核素。
苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室教授王殳凹、王亚星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，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。
研究团队提出了一种基于“内置能量转换器”的锕系微型核电池架构，即通过锕系元素与发光镧系元素的分子层级耦合，构建一个内置的能量转换器。这一创新设计通过将锕系核素243Am掺杂到发光镧系(Tb3+)元素配位聚合物中，实现了放射性核素与能量转换单元的紧密耦合，从而显著提高了能量转换效率。
实验结果显示，在仅使用不到10 µCi的243Am情况下，内置能量转换器中观测到了锕系核素内辐照诱导的自发光现象。进一步的研究表明，从衰变能到自发光的能量转化效率比传统结构提高了近8000倍。通过将这一内置能量转换器与光伏电池相结合，成功将自发光转化为电力输出，得到了一种新型微型辐光伏核电池。
这种新型核电池的总能量转换效率达到了文献报道最高的0.889%，单位活度功率为139μW∙Ci-1，远远优于之前的设计。这一成果不仅展示了高效能量转换的可能性，也为锕系核素在非核燃料循环领域的资源化利用提供了新的研究方向。此外，这一成果还为核废料的资源化利用开辟了新途径。核废料中的锕系核素是长期放射性的主要源头，通过将其转化为微型核电池中的能源，不仅减少了放射性废物的处理压力，还实现了废物的有效利用。
相关研究成果Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer于近日发表在国际期刊《自然》(nature)。
参考资料来源：中国科学报
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