光微生物燃料電池在1500,3000和3500 lx光強(qiáng)度下的極化曲線如圖5所示。在3000 lx光強(qiáng)度下，光微生物燃料電池的最大功率密度為99.09 mW m?2，是1500 lx時(shí)的1.5倍。當(dāng)光強(qiáng)度增加到3500 lx時(shí)，光微生物燃料電池的最大功率密度增加了4.79 mW m?2。光能的利用效率以及藻類生長(zhǎng)對(duì)光強(qiáng)度的依賴性因不同菌株而異。即使是低光強(qiáng)度（λ=550 nm,1500 lx）也能飽和集胞藻（Synechocystis）的產(chǎn)電活性。當(dāng)光強(qiáng)度增加到120μmol m?2s?1時(shí)，可以明顯觀察到凱氏小球藻（Chlorella kessleri）的光飽和現(xiàn)象，然而當(dāng)光強(qiáng)度增加到200μmol m?2s?1時(shí)，原殼小球藻（C.protothecoides）的比生長(zhǎng)速率顯著提高。不同藻株的光能利用效率差異很大，可能是由于遺傳組成和培養(yǎng)條件的差異。

圖5.不同光照強(qiáng)度下光微生物燃料電池的極化曲線。

3.4.氧氣濃度隨光強(qiáng)度變化


在微生物燃料電池中，氧氣因其高電位和易得性被認(rèn)為是理想的陰極電子受體。陰極電位取決于陰極室內(nèi)的溶解氧水平。伴隨光微生物燃料電池的電壓變化，當(dāng)光強(qiáng)度從1500 lx增加到3500 lx時(shí)，生物膜內(nèi)的溶解氧從7.5 mg L?1上升到13.2 mg L?1（圖6）。

圖6.利用微電極技術(shù)揭示光強(qiáng)度對(duì)Desmodesmus sp.A8生物膜內(nèi)溶解氧濃度的函數(shù)關(guān)系。


附著在陰極上的微藻可以在光照下通過(guò)光合作用持續(xù)提供大量氧氣。氧氣從生物膜擴(kuò)散到溶液中，因此電解質(zhì)中的溶解氧是過(guò)飽和的。溶解氧濃度的增加被認(rèn)為是導(dǎo)致電壓變化的原因。光微生物燃料電池的電壓輸出和陰極生物膜內(nèi)的溶解氧濃度隨光強(qiáng)度呈現(xiàn)相似趨勢(shì)，表明橋?yàn)吃錋8產(chǎn)生的O?影響了電壓輸出。實(shí)驗(yàn)期間陽(yáng)極室中的溶解氧濃度低于1 mg/L，這種低濃度不會(huì)影響陽(yáng)極微生物的反應(yīng)。

氧氣在陰極室中與電子和質(zhì)子一起被還原成水，根據(jù)以下方程式：

O?+4H?+4e?→2H?O,E?=1.229 V


陰極氧還原的平衡電位可以用能斯特方程描述：


E=E?-(RT/nF)ln(aRed/aOx)


其中E和E?是每個(gè)半電池反應(yīng)的實(shí)際電極電位和標(biāo)準(zhǔn)電極電位。aRed和aOx分別是陰極室溶液中還原物質(zhì)和氧化物質(zhì)的活度。T是絕對(duì)溫度，R（8.314 J K?1mol?1）是通用氣體常數(shù)，F(xiàn)（9.648×10?C mol?1）是法拉第常數(shù)，n是涉及的電子數(shù)。在這項(xiàng)工作中，O?還原的理論電極電位可描述如下：


E{O?/H?O}=E?{O?/H?O}-(RT/4F)ln(1/(a{O?}×a{H?}?))


在本研究中，陰極液的pH為9.12，當(dāng)光強(qiáng)度從1500 lx增加到3500 lx時(shí)，藻類生物膜內(nèi)的溶解氧濃度從7.50 mg L?1上升到13.21 mg L?1（圖5）。陰極性能的提高導(dǎo)致電壓因光強(qiáng)度提高而增加（圖4）。石墨還原氧的催化活性差是影響陰極性能的另一個(gè)因素。


一些研究表明，陰極室中的氧氣被還原為H?O?。可能的反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)電極電位可描述為：


O?+2H?+2e?→H?O?,E?=0.695 V


當(dāng)過(guò)量的H?O?化合物產(chǎn)生時(shí)，可能通過(guò)氧化蛋白質(zhì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷的風(fēng)險(xiǎn)。此外，陰極液pH值升高至9.12，會(huì)影響微生物的電活性并增加氧還原過(guò)電位。這兩者都會(huì)抑制微藻的性能。


當(dāng)光強(qiáng)度增加到更高值時(shí)，光強(qiáng)度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響可分為四個(gè)階段，即滯后期、光限制期、光飽和期和光抑制期。因此，光強(qiáng)度對(duì)光微生物燃料電池性能的影響也可能隨著光強(qiáng)度的增加而分為四個(gè)階段，包括：（1）滯后期，電壓輸出隨光強(qiáng)度增加保持不變；（2）光限制期，電壓輸出隨光強(qiáng)度增加而上升；（3）光飽和期，電壓輸出隨光強(qiáng)度增加保持恒定；（4）光抑制期，電壓輸出隨光強(qiáng)度增加而下降。在本研究中，當(dāng)光強(qiáng)度從1500 lx增加到3500 lx時(shí)，觀察到了光限制期和光飽和期。當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)3000 lx時(shí)，可以清楚地觀察到接種了橋?yàn)吃錋8的三電極系統(tǒng)的穩(wěn)定電流輸出。


4.結(jié)論


本研究證明，橋?yàn)吃錋8在光照下顯著增強(qiáng)了發(fā)電。光強(qiáng)度對(duì)光微生物燃料電池的陰極電位有深遠(yuǎn)影響，而陽(yáng)極電位在光強(qiáng)度變化期間變化很小。生物膜內(nèi)的溶解氧隨光強(qiáng)度同步變化。光微生物燃料電池的電壓輸出響應(yīng)隨光強(qiáng)度變化的依賴性不同，因此當(dāng)光強(qiáng)度增加到3000 lx時(shí)，光微生物燃料電池的電壓輸出增加到穩(wěn)定平臺(tái)。這項(xiàng)研究為改善光微生物燃料電池的性能提供了見(jiàn)解。