针对生物质可否连续转化制备CNTs纱线这一问题，朱美芳院士团队首次以生物质单宁酸为碳源，完成了从植物原料到CNTs催化转化过程，利用FCCVD法和自组装实现由生物质到CNTs纱线一步连续制备。图1是单宁酸裂解控制并组装成CNTs纱线的制备过程及推测机理示意图。在氩气氛下，单宁酸催化转化裂解为CO气体，同时产生的微量水可减少无定碳的生成。相比传统以精细化工品为碳源，此过程不需要额外通入氢气，安全系数高并可抑制焦炭生成。因此，该法制备的CNTs具有纯度高、石墨化程度高的特点。

图1. 单宁酸基CNTs纱线（a）制备过程及（b）组装机理示意图。

图2是单宁酸基CNTs纱线形貌及微观结构，通过SEM，TEM和直径统计图，可以清楚地观察到CNTs纱线是由规格齐整的多壁CNTs组成，且CNTs相互独立、直径分布在8-28 nm之间、平均直径为15.3 nm。CNTs纱线的宏观机械性能与碳原子的化学态和石墨化程度紧密相关，CNTs的碳原子呈sp2杂化排列，在电子能为284.8，285.2，287.1和290.2 eV处分别对应着 C=C，C–C，C=O和C–O键。从XPS谱图可以看出，单宁酸基CNTs纱线中sp2杂化的C-C键占较高的比例，说明缺陷碳的数量较少，同时高石墨化程度（IG/I D=6.3）意味着CNTs中存在较少的结构缺陷比较少，高质量的结晶碳和规整多壁结构使得CNTs纱线具有优异的综合性能。

图2. 单宁酸基CNTs纱线形貌及微观结构，(a) 数码照片，(b) SEM，(c)直径分布，(d)XPS谱图，(e) 拉曼光谱，(f) EDS谱图，(g) 高分辨TEM及元素分布图和 (h) XRD谱图。

一步法成功制备生物基CNTs纱线与原料的可控裂解有紧密关系，单宁酸的多羟基结构可与二茂铁结合，高温催化产生更多的CO气体和烯烃类物质，大分子物质含量相对减少。单宁酸在二茂铁催化裂解的气体主要有甲烷、水汽、一氧化碳，根据吉布斯反应自由能计算，可知高温下，在温度超过630 K（346.85 ℃）时，不同气体间会进一步发生化学反应，生成的物质为CO和H2。二茂铁参与单宁酸的裂解后，在温度超过850 ℃时升华进入气体状态，继续增加温度会释放中间的铁原子，铁原子与噻吩中的硫原子形成复合催化剂，CNTs得以持续生成和成长。CNTs的制备遵循气相–液相–固相（VLS）的生长机理，CNTs之间通过范德华力联系在一起，在载气作用下自组装成黑色半透明的CNTs气凝胶，之后在水浴中收缩成纤维状，并被收集成纱线。本文制备的单宁酸基CNTs纱线具有优异的性能，如力学强度达886±46 MPa，导电性为2×10⁵ S m^-1。

图3. 单宁酸裂解过程：(a) 单宁酸，单宁酸/二茂铁混合物，二茂铁PY-GC-Ms谱图，(b) 裂解产物比例，(c) 单宁酸/二茂铁混合物三维红外谱图，(d) 单宁酸裂解过程。

该工作以生物质单宁酸为原料，实现一步连续宏量制备CNTs纱线，详细研究了二茂铁在整个过程中的双重催化作用、生物质裂解的路径和产物，并对单宁酸基CNTs纱线的形成机理和性能进行全面的表征。单宁酸中碳原子催化转化成CNTs的过程遵循气相–液相–固相 (VLS)的生长机理，CNTs到CNTs纱线过程符合沉积-飘浮-组装（DFA）机理。CNTs纱线强力达886±46 MPa、电导率为2×10⁵ S m^-1、石墨化程度（IG/ID）为6.3、直径约15 nm。团队将围绕生物基CNTs掺杂改性进行研究，以期原位制备具有特定功能的生物基CNTs纱线或膜。

相关研究以“One-step floating conversion of biomass into highly graphitized and continuous carbon nanotube yarns”为题发表于Green Energy & Environment期刊，第一作者为东华大学博士生翟功勋，通讯作者为东华大学相恒学副研究员，贾超副研究员和朱美芳院士为共同作者。