2.3.測量與分析

電池電壓（Vcell）每5分鐘用數字萬用表記錄一次。通過使用燃料電池測試系統改變外部電阻來獲得極化曲線。在極化測量期間記錄微生物燃料電池的電壓和陰極電位（Pc）。陽極電位（Pa）計算為Pa=Pc-Vcell。功率（P）計算為P=VI，其中V是電池電壓，I是電流。功率密度和電流密度歸一化到電極投影表面積。

電化學阻抗譜（EIS）分析在100 kHz至10 mHz的頻率范圍內使用電化學工作站進行。陰極作為工作電極，陽極同時作為參比電極和對電極。數據通過Nova Version1.7軟件進行模擬和擬合。

藻類濃度通過分光光度計在680 nm波長處測量吸光度來測定。生物膜內200μm深度處的溶解氧（DO）用微電極 (Unisense, Denmark),測定，更多細節可見先前的研究。我們進行了至少兩次重復實驗以獲得可靠的結果；使用獨立樣本T檢驗在P<0.05水平上確定顯著性差異。

3.結果與討論

3.1.微藻促進電壓輸出

圖1.生物陰極光微生物燃料電池及其對照組在啟動期間的電壓變化。

在1500 lx的光強度下，用A8作為陰極微生物在光照下培養光微生物燃料電池，以促進陰極上生物膜的形成。圖1顯示了光微生物燃料電池和abiotic對照在外部電阻為1000Ω時的電壓。光微生物燃料電池有一個80小時的滯后期。此后，觀察到電壓增加至平均182 mV。然而，abiotic對照的電壓保持在大約3 mV。穩定的電壓表明微藻細胞成功地在陰極上富集，與對照相比，為電極的還原反應提供了更多的氧氣。

3.2.光照影響發電

圖2.光暗交替條件下（陰影表示無光照，外接電阻=1000Ω）光微生物燃料電池電極電位（相對于Ag/AgCl）及電壓的變化情況。

在光微生物燃料電池電壓穩定后，提供光暗循環以評估光照對光微生物燃料電池性能的影響。如圖2所示，光照主要影響生物陰極的性能，當光關閉時，其電位從-368.9 mV降至-526.8 mV（相對于Ag/AgCl），導致電池電壓從185.7 mV降至54.7 mV。陽極電位也因光照變化而降低了26.9 mV。極化分析表明，光照使最大功率密度從11.3 mW m?2提高到64.2 mW m?2（圖3）。

圖3.(a)功率輸出和(b)電極電位（相對于Ag/AgCl參比電極）隨電流密度在光照和黑暗條件下的變化關系。

光依賴性性能也在藍細菌中觀察到。在真核藻類中也觀察到了類似的趨勢。然而，附著在微生物燃料電池陽極上的螺旋藻（Spirulina platensis）在黑暗中產生的功率密度高于光照下。關于光對微生物燃料電池影響的不同發現可能是由于微藻在陰極還原反應和陽極氧化反應中可能扮演不同的角色。

內阻（Rint）是限制微生物燃料電池功率輸出的一個關鍵因素。更多關于Rint的知識將有助于提高微生物燃料電池的性能。微生物燃料電池的Rint是歐姆內阻（Rs）、陰極電阻（Rc）和陽極電阻（Ra）的總和，描述如下：

Rint=Rs+Rc+Ra

其中Rs包括電解質和膜的歐姆電阻，Rc和Ra分別包括陰極和陽極的電荷轉移相關電阻和擴散相關電阻。三電極系統可用于估算陽極和陰極電阻值并驗證Rc和Ra。

EIS分析表明，主要差異在于Rc，當光打開時，Rc從3152.0Ω降至136.7Ω（表1）。同時，陰極中的溶解氧濃度從4.3 mg L?1增加至7.5 mg L?1，證明光照提高了相對于氧氣釋放的光合作用效率，這進一步與陰極電阻的降低相關。

表1內阻組成分析

Rint:光微生物燃料電池的內阻。

Rs:源自光微生物燃料電池的歐姆電阻。

Rc:光微生物燃料電池的陰極電阻。

Ra:光微生物燃料電池的陽極電阻。

3.3.光強度影響生物陰極性能

圖4.不同光照強度下（外電阻=1000Ω）光微生物燃料電池的電極電位（相對于Ag/AgCl）及輸出電壓變化情況。

為了進一步驗證光強度對光微生物燃料電池性能的影響，在1500,2000,2500,3000和3500 lx的光強度下評估了電池電壓和電極電位（圖4）。當光強度從1500 lx增加到3000 lx時，電壓輸出從0.18 V上升到0.26 V。當光強度進一步增加到3500 lx時，電壓輸出提高了0.01 V。陰極電位與電池電壓同步變化，當光強度從1500 lx增加到3500 lx時，陰極電位增加了0.11 V，而陽極電位僅增加了0.01 V。這些結果與光強度對菌株A8計時電流響應的影響一致。