在CrX3（X = I, Br, Cl）中发现的本征磁序，因其在自旋电子器件中的潜在应用而引起了广泛关注。然而，众所周知，这类材料在环境条件下的不稳定性使其器件的制造和实际应用极具挑战性。近日，新加坡国立大学吕炯教授、Maciej Koperski教授、Alexandra Carvalho和Magdalena Grzeszczyk团队通过系统地研究CrX3家族中最受关注的CrI3的降解化学，获取了其降解化学的新见解，从而找到了有效的化学动力学稳定策略。

近年来出现的二维范德华磁性材料不仅为探索极限二维条件下新颖的自旋物理提供了让人激动人心的材料平台，还展示了其在自旋电子应用方面的巨大前景。在最近出现的范德华磁性材料中，CrI3因其长程铁磁有序和可调制的层间磁耦合而成为了薄层磁性材料中被研究的最为广泛的磁性体之一。然而，薄层CrI3在环境条件下的快速降解是目前基础研究和未来实际应用的最主要障碍。薄层CrI3薄片在空气中的降解速度相比其他空气敏感的二维材料（例如：磷烯、NbSe2、InSe、CrGeTe3等）快得多，完全降解仅需数分钟。深入研究CrI3的降解化学过程将对发展有效的稳定策略至关重要，尽管已付出了较大努力，但其复杂的降解化学仍然让人难以捉摸。目前，CrI3的有效稳定手段仅限于复杂的物理封装方法，而进一步开发类似于已被广泛用于其他环境敏感二维材料的简便、普适化学稳定手段具有重要意义。

因此，作者设计了一个全面的研究来揭示薄层CrI3纳米片在不同条件下的降解化学，由此获得的新结论启发了他们，应用了一种新的有效策略稳定CrI3。结果表明，在(无)光照射下，CrI3纳米片在纯水中会发生光加速的准一级水解反应，生成无定形Cr(OH)3和HI，反应速率常数为（0.63/天）0.71/天。类似地，在无光照条件下，CrI3在纯氧环境下发生光加速的准一级氧化反应，生成CrO3和I2，反应的速率常数更大，为4.2/天。CrI3在环境中的超快降解便起源于所发生的水解和氧化反应。这些新的信息指导作者采用有机酸作为保护溶剂的新策略来稳定CrI3纳米片。由于抑制了水解和表面氧化反应，CrI3纳米片在甲酸中可以保持稳定长达一个月以上。他们的工作不仅为CrI3的降解化学提供了新的认识，而且为CrI3的化学稳定提供了一条有效的新途径，也可用于保护其他环境敏感二维磁性材料。

图1. CrI3在空气和水中的降解行为

图2. CrI3在水中的降解过程

图3. CrI3在氧气中的降解过程

图4. CrI3与氧分子的DFT计算

图5. 有机酸中稳定CrI3

图6. CrI3稳定的磁光响应

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是张泰铭博士。

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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

吕炯博士简介

2007年本科毕业于复旦大学化学系，2011年获新加坡国立大学获化学博士学位；2011-2014年间在新加坡国立大学化学系, 美国加州大学伯克利分校物理系从事博士后研究。现为新加坡国立大学化学系副教授，博士生导师。课题组主要利用新一代扫描隧道显微并结合原子力显微技术，从事单分子，单元子，低维材料的物理化学性质研究。在此基础上，同时发展了扫描探针显微技术直接用于研究单分子，二维材料相关器件，并实现了精确调控单分子的电荷和自旋及其二维材料能带和激子效应。课题组也致力于研究发展基于二维材料载体，原子级精确的单元子和单团簇新型催化剂。入选英国皇家化学会《J. Mater. Chem. A》新锐科学家, NUS Faculty 青年科学家 (2021), 最近一系列工作入选美国化学会 《J. Am. Chem. Soc》Early Career Investigators (2021), 《J. Am. Chem. Soc》读者特选奖 (Readers' pick)。近几年已发表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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