Adsorption of NH3 and NO2 molecules on semiconducting single-walled carbon nanotubes is investigated using density functional theory. Both NH3 and NO2 molecules are found to bind to carbon nanotubes via physisorption. Electron charge transfer is found to be a major mechanism determining the conductivity change in carbon nanotubes upon exposure to NH3 and NO2 molecules. The calculated density of states is also considered to elucidate the differences in the NO2 and NH3 gas detection mechanism of carbon nanotubes.

Coexistence of both edge plane and basal plane in graphite often hinders the understanding of lithium ion diffusion mechanism. In this report, two types of graphene samples were prepared by chemical vapor deposition (CVD): (i) well-defined basal plane graphene grown on Cu foil and (ii) edge plane-enriched graphene layers grown on Ni film. Electrochemical performance of the graphene electrode can be split into two regimes depending on the number of graphene layers: (i) the corrosion-dominant regime and (ii) the lithiation-dominant regime. Li ion diffusion perpendicular to the basal plane of graphene is facilitated by defects, whereas diffusion parallel to the plane is limited by the steric hindrance that originates from aggregated Li ions adsorbed on the abundant defect sites. The critical layer thickness (lc) to effectively prohibit substrate reaction using CVD-grown graphene layers was predicted to be ∼6 layers, independent of defect population. Our density functional theory calculations demonstrate that divacancies and higher order defects have reasonable diffusion barrier heights allowing lithium diffusion through the basal plane but neither monovacancies nor Stone-Wales defect.

Seamless stitching of graphene domains on polished copper (111) is proved clearly not only at atomic scale by scanning tunnelling microscopy (STM) and transmission electron micoscopy (TEM), but also at the macroscale by optical microscopy after UV-treatment. Using this concept of seamless stitching, synthesis of 6 cm × 3 cm monocrystalline graphene without grain boundaries on polished copper (111) foil is possible, which is only limited by the chamber size.

Reduced graphene oxide (rGO) is a graphene-like material that exhibits high productivity for a wide range of industrial applications. To promote the application of rGO, it is important to not only produce high-quality rGO but also precisely evaluate the output. The intensity ratio of the D to G band in the Raman scattering is commonly used to assess the defect density of the carbon materials; however, this ratio is limited to evaluate the reduction degree of rGO because of the ambiguity arising from the superposition of the bands. In this study, we investigate the relationship between the intensity ratio of D* to G band and the reduction of graphene oxide (GO) to evaluate the degree of reduction of rGO. The spectral analysis of GO and rGO, along with systematic research of the thermally reduced GO synthesized via thermal treatment (100–900 °C) revealed a strong linkage between the D*/G intensity ratio and the C/O atomic ratio. The atomic vibrational relationships were elucidated by the assignment of the D* band, based on the density functional perturbation theory calculations. These findings explain the atomic vibrational properties of rGO and provide an indicator of the quality of rGO to optimize its performance for applications.

This study investigates the applicability of six transition metal dichalcogenides to efficient therapeutic drug monitoring of ten antiepileptic drugs using laser desorption/ionization-mass spectrometry. We found that molybdenum ditelluride and tungsten ditelluride are suitable for the sensitive quantification of therapeutic drugs. The contribution of tellurium to the enhanced efficiency of laser desorption ionization was validated through theoretical calculations utilizing an integrated model that incorporates transition-metal dichalcogenides and antiepileptic drugs. The results of our theoretical calculations suggest that the relatively low surface electron density for the tellurium-containing transition metal dichalcogenides induces stronger Coulombic interactions, which results in enhanced laser desorption and ionization efficiency. To demonstrate applicability, up to 120 patient samples were analyzed to determine drug concentrations, and the results were compared with those of immunoassay and liquid chromatography–tandem mass spectrometry. Agreements among these methods were statistically evaluated using the Passing–Bablok regression and Bland–Altman analysis. Furthermore, our method has been shown to be applicable to the simultaneous detection and multiplexed quantification of antiepileptic drugs.