在CrX3（X = I, Br, Cl）中發現的本征磁序，因其在自旋電子器件中的潛在應用而引起了廣泛關注。然而，眾所周知，這類材料在環境條件下的不穩定性使其器件的制造和實際應用極具挑戰性。近日，新加坡國立大學呂炯教授、Maciej Koperski教授、Alexandra Carvalho和Magdalena Grzeszczyk團隊通過系統地研究CrX3家族中最受關注的CrI3的降解化學，獲取了其降解化學的新見解，從而找到了有效的化學動力學穩定策略。

近年來出現的二維范德華磁性材料不僅為探索極限二維條件下新穎的自旋物理提供了讓人激動人心的材料平臺，還展示了其在自旋電子應用方面的巨大前景。在最近出現的范德華磁性材料中，CrI3因其長程鐵磁有序和可調制的層間磁耦合而成為了薄層磁性材料中被研究的最為廣泛的磁性體之一。然而，薄層CrI3在環境條件下的快速降解是目前基礎研究和未來實際應用的最主要障礙。薄層CrI3薄片在空氣中的降解速度相比其他空氣敏感的二維材料（例如：磷烯、NbSe2、InSe、CrGeTe3等）快得多，完全降解僅需數分鐘。深入研究CrI3的降解化學過程將對發展有效的穩定策略至關重要，盡管已付出了較大努力，但其復雜的降解化學仍然讓人難以捉摸。目前，CrI3的有效穩定手段僅限于復雜的物理封裝方法，而進一步開發類似于已被廣泛用于其他環境敏感二維材料的簡便、普適化學穩定手段具有重要意義。

因此，作者設計了一個全面的研究來揭示薄層CrI3納米片在不同條件下的降解化學，由此獲得的新結論啟發了他們，應用了一種新的有效策略穩定CrI3。結果表明，在(無)光照射下，CrI3納米片在純水中會發生光加速的準一級水解反應，生成無定形Cr(OH)3和HI，反應速率常數為（0.63/天）0.71/天。類似地，在無光照條件下，CrI3在純氧環境下發生光加速的準一級氧化反應，生成CrO3和I2，反應的速率常數更大，為4.2/天。CrI3在環境中的超快降解便起源于所發生的水解和氧化反應。這些新的信息指導作者采用有機酸作為保護溶劑的新策略來穩定CrI3納米片。由于抑制了水解和表面氧化反應，CrI3納米片在甲酸中可以保持穩定長達一個月以上。他們的工作不僅為CrI3的降解化學提供了新的認識，而且為CrI3的化學穩定提供了一條有效的新途徑，也可用于保護其他環境敏感二維磁性材料。

圖1. CrI3在空氣和水中的降解行為

圖2. CrI3在水中的降解過程

圖3. CrI3在氧氣中的降解過程

圖4. CrI3與氧分子的DFT計算

圖5. 有機酸中穩定CrI3

圖6. CrI3穩定的磁光響應

這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是張泰銘博士。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Degradation Chemistry and Kinetic Stabilization of Magnetic CrI3

Taiming Zhang, Magdalena Grzeszczyk*, Jing Li, Wei Yu, Haomin Xu, Peng He, Liming Yang, Zhizhan Qiu, HuiHui Lin, Huimin Yang, Jian Zeng, Tao Sun, Zejun Li, Jishan Wu, Ming Lin, Kian Ping Loh, Chenliang Su, Kostya S. Novoselov, Alexandra Carvalho*, Maciej Koperski*, and Jiong Lu*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c08906

呂炯博士簡介

2007年本科畢業于復旦大學化學系，2011年獲新加坡國立大學獲化學博士學位；2011-2014年間在新加坡國立大學化學系, 美國加州大學伯克利分校物理系從事博士后研究。現為新加坡國立大學化學系副教授，博士生導師。課題組主要利用新一代掃描隧道顯微并結合原子力顯微技術，從事單分子，單元子，低維材料的物理化學性質研究。在此基礎上，同時發展了掃描探針顯微技術直接用于研究單分子，二維材料相關器件，并實現了精確調控單分子的電荷和自旋及其二維材料能帶和激子效應。課題組也致力于研究發展基于二維材料載體，原子級精確的單元子和單團簇新型催化劑。入選英國皇家化學會《J. Mater. Chem. A》新銳科學家, NUS Faculty 青年科學家 (2021), 最近一系列工作入選美國化學會 《J. Am. Chem. Soc》Early Career Investigators (2021), 《J. Am. Chem. Soc》讀者特選獎 (Readers' pick)。近幾年已發表20多篇Nature/Science 子刊，Nature Materials （2）, Nature Nanotechnology （3）, Nature Electronics (1) Nature Communication (13), Science Advance (3).

https://www.x-mol.com/university/faculty/65871

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