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金属-空气电池的商业化需要高效、低成本、稳定的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)和水解析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)双功能电催化剂。天然煤的改性,无论是否经过事先纯化,用杂原子元素(例如N和S或金属氧化物)进行改性,都可以形成用于ORR和OER的非常有希望的电催化剂。然而,天然煤包含许多无机杂质,特别是Fe、Si、Al、Ca和K。因此,了解这些杂质元素对煤基催化剂电催化性能的影响是非常有必要的。本文以来源丰富的煤为原料,合成了可逆氧电极用电催化剂,探讨了煤中存在的Al、Si、Ca、K、Fe、Mg、Co、Mn、Ni、Cu等杂质对催化剂电化学性能的影响。在被测样品中,1 wt%的Fe、Al、Ca、K和Co的加入促进了ORR,而1 wt%的Fe和Al的加入有利于OER,催化剂对这两种反应都表现出了稳定的性能,并且在ORR的情况下催化剂还具有抗甲醇交叉的能力。重要的是,以制备的催化剂为阴极,锌为阳极的锌-空气电池能够为绿色LED灯供电超过80小时,并且在5 m A cm-2的电流密度下充放电极化曲线在500个循环(约84小时)的连续循环中表现出了出色且持久的充放电能力。通过扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy,SECM)的测试,可以从微观角度进一步了解催化剂的电化学性能与物理形貌间的关系。微量元素的促进作用被认为是多种因素综合作用的结果,包括通过协同作用对活性位点进行电子结构修饰,通过产生孔隙和缺陷提高活性位点密度,并形成了导电的三维碳纳米管层次网络,提高了煤的石墨化程度。