Bioelectricity Generation in a Microbial Fuel Cell with a Self-Sustainable Photocathode

在具有自可持續光電陰極面的微生物燃料電池中產生生物電力

來源：The Scientific World Journal Volume 2015, Article ID 864568, 8 pages

 

一、摘要內容

摘要指出，本研究旨在構建一種帶有光合藻類陰極的微生物燃料電池（MFC），該陰極能夠自我捕獲陽極釋放的二氧化碳并利用太陽能作為能量輸入。研究發現，當陽極產生的氣體在光照下被導入陰極液時，系統產生的最大功率密度為187 mW/m2，遠高于黑暗條件下的21 mW/m2，證明了藻類光合作用的關鍵貢獻。然而，當陽極氣體不導入陰極液時，仍意外獲得了146 mW/m2的最大功率密度。對陰極微環境的測量表明，在此條件下藻類光合作用仍在產氧，這暗示了CO?通過Nafion膜從陽極室擴散（交叉）到了陰極室。本研究結果增進了對基于藻類的微生物碳捕獲電池（MCC）的理解，并有助于改進其性能。

二、研究目的

本研究的主要目的是構建并深入理解一種微生物碳捕獲電池（MCC）系統，該系統利用藻類光合作用為陰極提供氧氣，從而實現更可持續的發電。具體目標包括：

 

評估MCC在不同操作模式（光照/黑暗，導入/不導入陽極CO?）下的發電性能。

通過測量陰極微環境（溶解氧、pH）和電化學特性，揭示陰極反應的潛在機制。

 

探究在未主動導入陽極CO?的情況下，陰極室仍能維持光合作用和發電的原因。

 

三、研究思路

研究采用實驗對比與機理探究相結合的思路：

 

系統構建：構建雙室H型MCC反應器，陽極室接種厭氧污泥降解乙酸，陰極室引入小球藻（Chlorella vulgaris）。陽極產生的氣體通過硅膠管可選擇性地導入或不導入陰極液。系統設置示意圖見圖1。

 

操作模式對比：設置三種主要操作條件進行對比：

 

陽極氣體導入陰極液 + 光照

陽極氣體不導入陰極液 + 光照

 

陽極氣體導入陰極液 + 黑暗

 

多參數測量：監測系統的電壓輸出、功率密度、電極電位；使用循環伏安法（CV）和線性掃描伏安法（LSV）分析電極的電化學活性；使用掃描電鏡（SEM）觀察電極生物膜形態；關鍵地，使用丹麥Unisense微電極原位連續監測陰極室的溶解氧（DO）和pH變化。

 

數據分析：將電性能數據與微環境變化、電化學特征相關聯，闡釋系統運行機制。

 

四、測量數據及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數據，其意義和來源如下：

 

電壓輸出與功率密度數據：記錄了不同操作條件下的電壓隨時間變化以及功率密度曲線。

 

研究意義：直接量化了MCC的發電性能。數據顯示系統發電高度依賴光照，但在未導入陽極CO?時光照下仍能發電，這引出了對CO?來源的探究。

 

數據來源：電壓隨時間變化曲線展示在圖2a；功率密度和電極極化曲線展示在圖2b和圖2c。

 

電極電化學活性數據：通過循環伏安法（CV）表征陽極的生物催化活性，通過線性掃描伏安法（LSV）表征陰極的氧還原催化活性。

 

研究意義：證實了陽極生物膜的電化學活性以及陰極反應受溶解氧濃度影響，佐證了性能差異主要源于陰極側。

 

數據來源：陽極CV曲線展示在圖3a；陰極LSV曲線展示在圖3b。

 

生物膜微觀形貌數據（SEM）：觀察了陽極和陰極電極表面生物膜的形態。

 

研究意義：直觀展示了陽極細菌成簇生長形成生物膜，以及藻類細胞附著在陰極上的情況，為生物電化學過程提供了形態學證據。

 

數據來源：SEM圖像展示在圖4a-d。

 

陰極溶解氧（DO）和pH變化數據（使用丹麥Unisense電極測量）：使用Unisense氧微電極和pH微電極原位連續監測了陰極液中DO和pH在60小時內的變化。

 

研究意義：這是揭示陰極微環境動態和光合作用發生的直接證據。數據顯示，在光照下，無論是否導入陽極CO?，DO濃度均顯著上升（導入時達4.5 mg/L，不導入時達1.2 mg/L），pH也相應升高；黑暗條件下則變化平緩。這證明了藻類光合作用的存在，并暗示了不導入CO?時仍有CO?來源。

 

數據來源：DO和pH的時序變化曲線集中展示在圖5a和圖5b。

 

五、結論

研究得出以下核心結論：

 

MCC發電依賴光照：藻類光合作用產生的氧氣是陰極反應的關鍵電子受體，光照是MCC高效發電的必要條件。

發現意外的CO?交叉現象：即使不主動將陽極產生的CO?導入陰極，陰極室仍能檢測到由光合作用產生的氧氣，表明CO?可能通過Nafion膜從陽極室擴散到了陰極室。

陰極反應導致堿化：陰極的氧還原反應（ORR）主要以生成OH?的形式進行，導致陰極液pH升高。

 

系統具有可持續潛力：該MCC技術能夠利用陽極產生的CO?和太陽能為陰極反應供能，減少了對外部能量和化學品的依賴，但性能仍有待提高。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產的微電極（氧微電極和pH微電極）測量的數據具有至關重要的作用，是其核心發現的關鍵支撐：

 

提供了光合作用發生的直接、原位證據：Unisense微電極具備高時間分辨率，能夠連續、實時地監測陰極液中DO和pH的微小變化。圖5a和圖5b清晰地顯示，在光照開啟后，DO濃度迅速上升，同時pH值也發生變化。這種與光照同步的動態變化，是藻類正在進行光合作用（吸收CO?，產生O?）的最直接證明，將光照這一物理輸入與陰極室的生物化學響應直接關聯起來。

揭示了意外現象并引導出重要機理解釋：當實驗發現不導入陽極CO?時，MCC在光照下仍能發電（功率密度146 mW/m2）后，Unisense的測量數據成為了解釋這一現象的關鍵。數據顯示，在此條件下，陰極液DO濃度仍有明顯升高（達1.2 mg/L）。這個關鍵的陽性結果表明，藻類光合作用仍在進行，因此必然有CO?來源。這直接引導研究者提出了“CO?通過Nafion膜從陽極室交叉至陰極室”的創新性假設，并引用直接甲醇燃料電池中的類似現象作為佐證。沒有這個高靈敏度的DO測量數據，這一重要機制可能被忽略。

關聯了微環境變化與電性能輸出：通過將Unisense測得的DO/pH數據與同步記錄的電壓/功率數據（圖2）進行對比，研究清晰地展示了陰極微環境（O?的可用性）如何直接控制著整個MCC的電能輸出。例如，DO濃度的升高與電壓的增加在時間上高度吻合，直觀地揭示了“光能 → 光合作用產氧 → 陰極氧還原反應 → 電流產生”的能量轉化鏈條。

 

方法學上的可靠性與優勢：與傳統取樣測定法相比，Unisense微電極的原位、無損測量避免了對封閉反應體系的干擾和樣品在分析前可能發生的氣體交換，獲得了更真實、連續的數據，極大地增強了實驗結果的可靠性和說服力。

 

總而言之，Unisense電極測量數據在本研究中扮演了 “機制發現者”和 “過程連接器” 的角色。它不僅是證明光合作用存在的“傳感器”，更是啟發和驗證重要科學假設（CO?交叉）的關鍵工具，將物理操作（光照）、化學環境（DO、pH）和系統性能（發電）有機地聯系起來，極大地深化了對MCC內部過程的理解。