生醫新聞專題報導
生物燃料電池 (MFCs) 作為一種新興的綠色能源技術，利用微生物分解有機物產生電力，具有環境友好、可再生等優點。然而，陰極生物汙染一直是阻礙 MFCs 廣泛應用的重大挑戰。近日，一項研究針對無膜生物燃料電池 (membrane-less MFCs) 的陰極生物汙染問題，探索了氧化銅 (CuO) 改性活性碳作為陰極材料的潛力，並比較了批次模式和連續模式下的性能表現，為解決 MFCs 的生物汙染問題提供了新的思路。

生物汙染的挑戰與 MFCs 的發展

生物燃料電池 (MFCs) 是一種利用微生物催化氧化有機物，將化學能直接轉化為電能的裝置。相較於傳統的化學電池，MFCs 具有使用可再生燃料、運行條件溫和、環境友好等優勢，在廢水處理、環境監測、生物傳感器等領域具有廣闊的應用前景。

然而，陰極生物汙染是 MFCs 面臨的主要挑戰之一。在 MFCs 運行過程中，陰極表面容易形成生物膜，這些生物膜會阻礙電子傳輸、降低陰極活性、增加內阻，最終導致電池性能下降。特別是在無膜 MFCs 中，陽極和陰極之間沒有物理屏障，生物汙染問題更加嚴重。

氧化銅改性活性碳：一種潛在的解決方案

為了克服陰極生物汙染，研究人員一直在尋找有效的解決方案。氧化銅 (CuO) 具有良好的抗菌性能和電催化活性，被認為是一種潛在的陰極改性材料。活性碳 (Activated Carbon, AC) 則是一種廉價、多孔、比表面積大的材料，常用於電極材料的製備。

該研究團隊將氧化銅與活性碳結合，製備了 CuO 改性活性碳 (CuO-AC) 複合材料，並將其應用於無膜 MFCs 的陰極。研究人員假設，CuO 的抗菌性能可以抑制陰極生物膜的形成，而活性碳的高比表面積則可以提供更多的反應位點，提高陰極的電催化活性。

批次模式與連續模式的比較研究

該研究分別在批次模式和連續模式下評估了 CuO-AC 陰極的性能。在批次模式下，MFCs 的反應物和產物不連續更換；而在連續模式下，反應物連續流入，產物連續流出，更接近實際應用場景。

研究結果顯示，在批次模式下，CuO-AC 陰極的 MFCs 表現出優異的性能，最大功率密度顯著高於未改性的活性碳陰極。研究人員認為，這歸功於 CuO 的抗菌性能，有效抑制了陰極生物膜的形成，降低了電子傳輸阻力。

然而，在連續模式下，CuO-AC 陰極的性能提升並不明顯。研究人員推測，連續模式下反應物和產物的連續流動，可能削弱了 CuO 的抗菌效果。此外，連續模式下生物膜的形成速度更快，CuO 的抑制作用可能無法完全抵消生物膜的負面影響。

數據分析與事實佐證

具體而言，研究數據顯示，在批次模式下，使用 CuO-AC 陰極的 MFCs 的最大功率密度比使用未改性活性碳陰極的 MFCs 提高了約 30%。這是一個顯著的提升，表明 CuO 的改性確實對抑制生物汙染起到了積極作用。

然而，在連續模式下，兩者之間的功率密度差異並不明顯，甚至在某些情況下，CuO-AC 陰極的性能略低於未改性活性碳陰極。這表明，在連續模式下，CuO 的抗菌效果可能受到限制，無法有效抑制生物膜的形成。

研究人員還利用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對陰極表面進行了觀察。SEM 圖像顯示，在批次模式下，CuO-AC 陰極表面的生物膜明顯少於未改性活性碳陰極；而在連續模式下，兩者表面的生物膜數量差異不大。這進一步證實了 CuO 在批次模式下具有較好的抗菌效果，但在連續模式下效果不明顯。

研究的局限性與未來展望

儘管該研究取得了一些有意義的成果，但也存在一些局限性。例如，該研究僅使用了單一種類的微生物，而實際應用場景中微生物種類繁多，CuO-AC 陰極對不同微生物的抑制效果可能存在差異。此外，該研究僅在實驗室條件下進行，未考慮實際廢水環境的複雜性。

未來，研究人員可以進一步探索以下幾個方向：

優化 CuO-AC 複合材料的製備方法：通過調整 CuO 的含量、粒徑、分散性等參數，進一步提高其抗菌性能和電催化活性。

探索其他改性材料：

除了 CuO，還可以探索其他具有抗菌性能的材料，例如銀 (Ag)、鋅 (Zn) 等，並將其與活性碳結合，製備新型陰極材料。

研究生物膜的形成機制：

深入研究生物膜的形成機制，了解不同微生物在陰極表面的附著、生長、代謝等過程，為開發更有效的生物汙染控制策略提供理論基礎。

開展實際廢水測試：

將 CuO-AC 陰極應用於實際廢水處理中，評估其在複雜環境下的性能表現和長期穩定性。

整體性總結與研判

總體而言，該研究表明，氧化銅改性活性碳在批次模式下可以有效抑制無膜 MFCs 陰極的生物汙染，提高電池性能。然而，在連續模式下，CuO 的抗菌效果受到限制，性能提升不明顯。

儘管如此，該研究仍然為解決 MFCs 的生物汙染問題提供了一種新的思路。通過優化 CuO-AC 複合材料的製備方法、探索其他改性材料、深入研究生物膜的形成機制，有望開發出更有效的生物汙染控制策略，推動 MFCs 技術的廣泛應用。

值得注意的是，MFCs 技術的發展仍然面臨許多挑戰，除了生物汙染，還包括電極材料的成本、電池的穩定性、能量轉化效率等問題。只有通過不斷的技術創新和深入研究，才能真正實現 MFCs 的商業化應用，為構建綠色、可持續的能源體系做出貢獻。

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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: November 23, 2025