基于α放射性核素的自发光材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种基于α放射性核素的自发光材料及其制备方法与应用，属于核技术应用领域。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤，将α放射性核素的化合物、镧系化合物和有机配体溶于溶剂，反应得到所述的基于α放射性核素的自发光材料。本发明专利技术的基于α放射性核素的自发光材料能够解决传统α核光光电池能量转化率低以及荧光物质α辐照稳定性差等问题，最终降低核电池放射性用量，提升核电池的输出功率和使用寿命。命。命。

【技术实现步骤摘要】
基于
α
放射性核素的自发光材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于核技术应用领域，尤其涉及一种基于α放射性核素的自发光材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]辐致光伏效应核电池(简称核光光电池)是一类利用核素自发衰变释放出的高能粒子轰击荧光物质，使其发光后，再通过光伏组件的光生伏特效应将光能转换成电能输出的核电池。这类电池大多是将放射源物理耦合在闪烁体上，需要选用具有一定穿透能力的放射源，因此目前绝大多数核光光电池选用的是β放射源。与传统的β核光光电池使用的β核素相比相比，α放射性核素具有更高的单位活度功率，一般比β核素高2
‑
3个数量级。这就使得核电池可以使用更小的放射性活度得到更高的效率，且可以在体积上可以进行更高程度的集成。在需要小体积隐蔽、低功率长期稳定输出的用电器件方面，尤其是在深空深海探测领域中的微传感器、生物医疗领域中的嵌入式人体健康监控芯片，以及未来军事领域中的智能可穿戴电子设备等低功耗微型器件的应用中，α同位素电池具有独特优势，可以发挥重要的作用。
[0003]目前，有关α核光光电池的研究非常少，主要有三个方面原因。一是由于α的有效射程较短，α的能量仅能作用到荧光物质的表面，使得辐射转化率较低；二是传统的α核光光电池放射源与荧光体均为物理堆叠，放射源自吸收严重，大量能量被浪费，导致核电池能量转化率较低。有研究人员使用300mCi 238
PuO2为α核光光电池供电，单位活度能量密度仅为70μW
·
Ci
‑1，显著低于理论值33.1mW
·
Ci
‑1。通过改变放射源加载方式或者选用气态荧光物质等最大化射线与荧光材料的相互作用，可以一定程度上缓解能量转化率低的问题。Russo等人将
63
Ni
2+
溶液旋涂到ZnS：Cu表面，与传统的物理堆叠模式相比，能量转化率提升了4.5倍。Weave等人将α放射性核素
210
Po加载到气态的闪烁中(Ar或Xe)，气体的流动性能够最大化增加射线与闪烁体的相互作用，极大提升了辐射能到光能的能量转化率。三是传统的无机荧光材料的α辐照稳定性较差，极大降低了电池的使用寿命，该方面目前未有相关新技术。
[0004]综上，现有的改善能量转化率的方法基本都是将放射源物理分散，然而物理分散不可控，很难将放射源均匀分散，仍然存在放射源自吸收问题。此外，物理分散仍然无法解决α射线穿透弱，无法进入荧光材料内部的问题。另外气态闪烁体成本高，且辐致荧光效率较低，且仍然无法解决α辐照稳定性的问题。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中传统α核光光电池中放射源自吸收、荧光物质α辐照稳定性差的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于α放射性核素的自发光材料及其制备方法与应用
[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种基于α放射性核素的自发光材料的制备方法，包
括以下步骤，将α放射性核素的化合物、镧系化合物和有机配体溶于溶剂，反应得到所述的基于α放射性核素的自发光材料。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述α放射性核素的化合物中的α放射性核素选自镅、钚和锔中的一种或多种；α放射性核素的价态为正三价。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述镅选自
243
Am和/或
243
Am；钚选自
242
Pu；锔选自
244
Cm。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述镧系化合物中的镧系元素选自铽Tb、铕Eu、钕Nd和钐Sm中的一种或多种；所述镧系化合物中镧系元素的价态为正三价。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述有机配体选自苯六羧酸、苯四羧酸和对苯二甲酸中的一种或多种。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇和乙腈中的一种或多种。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述α放射性核素的化合物和镧系化合物的摩尔比为1：999
‑
1：49。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述反应的时间为6h
‑
48h。
[0015]本专利技术的第二个目的是提供一种所述的方法制备的基于α放射性核素的自发光材料。
[0016]本专利技术的第三个目的是提供一种所述的基于α放射性核素的自发光材料在核电池中的应用。
[0017]本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0018](1)本专利技术所述的基于α放射性核素的自发光材料将α放射性核素与具有荧光性质的镧系化合物的发光中心化学键合的分子设计理念，将α放射性核素如
241
Am、
243
Am、
242
Pu和
244
Cm掺杂到镧系有机无机杂化闪烁体中。由于三价α放射性核素与三价镧系元素的离子半径相近，配位化学性质极其相似，因此α放射性核素会均匀分布在材料中，并处于材料中镧系元素的位点。由于α放射性核素均匀分布在材料中，核素与核素之间的距离增加，彼此分散，极大降低了放射源本身的自吸收；此外，放射性核素位于材料内部，射线无需从外部机进入，其与发光中心镧系元素的距离缩短为左右，极大降低了α射线传输过程中的能量衰减。
[0019](2)本专利技术所述的应用提出了一种新的核电池能量转化模式，能够解决传统α核光光电池能量转化率低以及荧光物质α辐照稳定性差等问题，最终降低核电池放射性用量，提升核电池的输出功率和使用寿命。
附图说明
[0020]为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中：
[0021]图1为本专利技术测试例1中基于
243
Am的绿色自发光材料的实物图；其中，上图为白天时照片，下图为黑暗条件下的照片。
[0022]图2为本专利技术自发光材料的设计理论，其中，左侧为传统的自发光材料，右侧为本专利技术基于α放射性核素的自发光材料。
[0023]图3为本专利技术测试例2中基于
243
Am的绿色自发光材料发光强度变化图。
[0024]图4为本专利技术测试例3中基于
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Am的绿色自发光材料的发光强度对比图。
[0025]图5为本专利技术测试例4中辐致光伏效应核电池的示意图。
[0026]图6为本专利技术测试例4中辐致光伏效应核电池的I
‑
V曲线。
[0027]图7为本专利技术测试例4中核光光电池能量转化率、单位活度功率密度等关键参数的比较图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0029]在本专利技术中，除非另有说明，α放射性核素的化合物中α本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于α放射性核素的自发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，将α放射性核素的化合物、镧系化合物和有机配体溶于溶剂，反应得到所述的基于α放射性核素的自发光材料。2.根据权利要求1所述的基于α放射性核素的自发光材料的制备方法，其特征在于，所述α放射性核素的化合物中的α放射性核素选自镅、钚和锔中的一种或多种；α放射性核素的价态为正三价。3.根据权利要求2所述的基于α放射性核素的自发光材料的制备方法，其特征在于，所述镅选自
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Am和/或
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Am；钚选自
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Pu；锔选自
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Cm。4.根据权利要求1所述的基于α放射性核素的自发光材料的制备方法，其特征在于，所述镧系化合物中的镧系元素选自铽、铕、钕和钐中的一种或多种；所述镧系化合物中镧系元素的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王殳凹，王亚星，李凯，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：