理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    以理論計算方法探討CO在Cu(711)表面上的電化學還原
    (2019) 辜敏韶; KU, Min-Shao
    在現今社會中,使用銅做為電催化電極是現今將二氧化碳電還原成許多有用的燃料的其中一項主要方法。透過製備不同的銅電極材料表面來區分各種催化途徑成為CO2電還原化學最關注的主題之一;而催化體系設計的成功與否,取決於是否提高還原CO2的選擇性。利用理論計算,我們研究Cu(711)表面,以了解早期實驗觀察所顯示的C-C耦合的有趣選擇性。通過分析沿著CO2還原機理的各種關鍵中間體的電子結構,可以為設計用於Cn(n≥2)烴合成的Cu電極材料的新形態提供進一步的見解。
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    以理論計算探討奈米鐵銠團簇催化劑調控費托反應的產物選擇性研究
    (2020) 許合良; Hsu, Ho-Liang
    本篇藉由密度泛函理論探討奈米複合材料中鐵銠參雜比例對於費托合成反應選擇性的影響。我們以 FenRh(13-n), n=1, 2, 6, 11, 12 奈米團簇為模型分別探討二氧化碳於團簇上的碳-氧鍵斷鍵反應與一氧化碳於團簇上的氫化還原和碳-氧鍵斷鍵反應。我們發現Fe6Rh7、Fe11Rh2 和 Fe12Rh1 奈米團簇不僅對二氧化碳的碳-氧鍵斷鍵具有良好的催化效果,當一氧化碳氫化還原成 CH2O 之後,其對 CH2O 的碳-氧鍵斷鍵也有良好的催化能力。藉由分析 CH2O 的吸附結構,我們發現 CH2O 的氧原子吸附於 Fe6Rh7、Fe11Rh2 和 Fe12Rh1 奈米團簇中三鐵構型的橋位。自然鍵軌域 (natural bond orbital, NBO) 電荷分析與鍵長分析顯示當 CH2O 的氧原子接於三鐵構型的橋位時,奈米團簇有較多電子移轉至 CH2O 的碳原子和氧原子上,導致 CH2O 分子的碳-氧鍵鍵長變長而有預斷鍵的情形,進而造成 C-O 斷鍵活化能下降。另外,CH2O 分子解離而生成 CH2 和 O 後,氧原子會落入三鐵構型的中心並藉由鐵-氧之間的作用而被穩定,使得 CH2 和 O 的生成能下降。
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    以理論計算探討以金屬為基材的單原子催化劑上進行二氧化碳電化學還原成乙醇的反應機制
    (2020) 鄭博修; Bo-Siou Zheng
    使用過渡金屬可以改善二氧化碳還原反應的效率,及能將二氧化碳轉換成更有價值的產物,因為唯獨銅元素具有產生多碳產物的優點,所以被廣泛運用在二氧化碳還原反應上,2011年,Zheng教授的團隊成功合成出單金屬原子催化劑(Pt1/FeOx),並在一氧化碳的氧化反應中展現不錯的催化效果,最近,有實驗團隊使用此合成策略於二氧化碳還原反應中,發現在”以部分氧化的鈀金屬為基材的單顆銅金屬原子催化劑”上對於乙醇有高度的選擇性,所以我們將透過模擬該系統在進行二氧化碳還原的反應產生乙醇的反應路徑。 鈀金屬在二氧化碳還原的反應上對於探討產生CO具有選擇性,因此二氧化碳會先經過鈀基材還原成一氧化碳,隨後轉移至銅原子周圍進行 “氫化”及“碳-碳耦合”的動作。而最終的實驗結果顯示,在(100)系統中碳碳耦合的速率決定步驟是, COH與CHO在Pd與Cu的交界處進行耦合;而(111)系統中碳碳耦合的速率決定步驟是,CO及CHO直接在銅原子上方進行耦合的步驟。
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    氣相層析儀結合微型發音哨對氣體分析的開發與研究
    (2014) 賀怡珊; Yi-San He
    本研究利用微型哨式發音器(milli-whistle)結合氣相層析儀(gas chromatography, GC),並使用麥克風為偵測器,將毛細管柱之載流氣體與外加輔助的鞘流氣體混合後,偵測混合氣流以受迫性的高速通過哨式發音器時的單頻聲音。此時,聲音藉由麥克風接收並同步以 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT),獲得即時聲音頻率,並探究頻率變化與分子量大小等對頻率影響的公式計算和探討。在最佳化實驗條件下頻率訊號半高寬約為 1.6 Hz,並以層析時間與即時發音哨之頻率作圖,即得氣相層析譜圖。與實驗結果比對後,發現不僅能成功地驗證理論推導公式,更可以應用在各式氣體樣品之中。透過本研究開發之理論公式可推估氣體樣品含有的氣體組成成分及含量,搭配分析物的滯留時間與頻率訊號的檢量線驗算,將能更精確地進行樣品的定性和定量研究。本研究進行檢測健康人體志願者之呼氣中含二氧化碳/氧氣比例、固相微萃取法(solid-phase microextraction, SPME)檢驗丙酮蒸氣的含量,以及硼烷氨類釋氫量與金屬酵素(metalloenzyme)釋氫量的理論計算,都得到與實際值或理論值相近的計算結果。此外,哨式發音器的製作有許多方法,本研究也比較了各種不同的構型,發現對於哨式發音器的感度和發聲頻率有很大的影響。
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    含鉍之 (鉻、鐵) 金屬團簇化合物的合成、轉換關係、化性、物性與理論計算之探討
    (2015) 邢凱捷; Kai-Jieah Hsing
    當開放型四面體化合物 [Bi{Cr(CO)5}4]3– 與 2 當量的 [Cu(MeCN)4][BF4] 試劑於 MeCN 中反應,可生成平面三角形化合物 [Bi{Cr(CO)5}3]– (1);反之,1 可藉由與 2 當量 [HCr(CO)5]– 逆反應得 [Bi{Cr(CO)5}4]3–。X-ray 結構解析發現化合物 1 為以鉍原子為中心鍵結三個 [Cr(CO)5] 片斷的平面三角形之構型;特別的是,化合物 1 具有不飽和之  電子系統。有鑑於此,將 1 分別與 KX (X = Cl, Br, I, OH) 於 MeCN 或 THF 中反應,可生成鹵素或羥基加成之四面體化合物 [XBi{Cr(CO)5}3]2– (X = Cl, 2-Cl; Br, 2-Br; I, 2-I; OH, 3);其中,當 2-I 與 AgNO3 反應時,可逆反應形成 1。若進一步將 1 與 Fe(CO)5 於鹼性甲醇溶液反應,可生成罕見混合鉻與鐵之四面體化合物 [Bi{Cr(CO)5}3{Fe(CO)4}]3– (4)。特別的是,化合物 1 具有溶劑化顯色 (Solvatochromism) 之特性,當其分別溶於 DMF、MeCN、Acetone、MeOH、THF、EtOH 與 CH2Cl2 時,溶液所呈現的顏色依序為紅、橘紅、橘黃、黃、草綠、碧綠與孔雀綠。本研究藉由偵測此一系列化合物之電化學、液態紫外/可見光光譜與反射式固態紫外光譜來探討引入不同鹵素與異核金屬的效應,並搭配理論計算來佐證。
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    以理論計算的方式研究(1)NO在NixPt(4-x), xNi@Pt, (4-x)Pt@Ni (x = 0~4)的吸附與分解反應 (2)CH3CO、CH3CN與CH3CH2在M(111)、core/shell Cu/M(111)與Pt/M(111) (M = Ni or Rh)表面之吸附與C-C斷鍵反應
    (2011) 林于婕
    第一部分:NO在NixPt(4-x), xNi@Pt, (4-x)Pt@Ni (x = 0~4 )的吸附與分解反應 我們使用密度泛函理論來研究NO在三個雙金屬系統(1) NixPt(4-x)、(2) xNi@Pt、(3) (4-x)Pt@Ni (x = 0~4 )的吸附與分解反應,計算結果顯示,NO的吸附能大小在表層金屬原子組成相同時,都會依照xNi@Pt > NixPt(4-x) > (4-x)Pt@Ni的順序;而LDOS的分析結果顯示這也是d band center靠近Fermi level程度的大小順序,以及NO斷鍵的活化能大小順序則是跟吸附能呈相反順序,吸附能越大則活化能會越小,NO在4Ni@Pt這個表面可以得到最大的吸附能-2.97 eV,和最小的斷鍵能障1.20 eV;比起純Ni表面的吸附能-2.48 eV及活化能1.49 eV, 4Ni@Pt催化效果明顯增加;相反地,NO在4Pt@Ni這個表面有最小的吸附能-0.92 eV及最大的斷鍵能障3.34 eV,比起純Pt的吸附能-1.88 eV及斷鍵能障2.50 eV,催化NO斷鍵的效果下降;這些現象我們從LDOS的分析都得到合理的解釋。 第二部分:CH3CO、CH3CN與CH3CH2在M(111)、core/shell Cu/M(111)與Pt/M(111) (M = Ni or Rh)表面之吸附與C-C斷鍵反應研究 我們使用密度泛函理論來探討CH3CO、CH3CN與CH3CH2在M(111)、core/shell Cu/M(111)與Pt/M(111) (M = Ni or Rh)表面之C-C斷鍵反應,分成Ni-shell或Rh-shell兩個系統來討論,除了探討C-C斷鍵反應之外,對於三個分子的吸附能及吸附結構也有詳細的描述,結果顯示在兩個系統中三個分子的吸附能都是Pt/M > Cu/M > M (M = Ni or Rh ),此現象跟內層core金屬影響表層shell金屬的電子結構有很大關係;而CH3CO、CH3CN、CH3CH2在這三個分子本身的吸附能大小則是CH3CO > CH3CH2 > CH3CN,除了在Pt/Ni上CH3CN比CH3CH2還要穩定一些;三個分子比較之下,CH3CO是最容易斷鍵的分子,而CH3CH2是最困難的,我們發現這跟他們吸附到表面後C-C鍵的拉長多寡很有關係;而CH3CO的斷鍵活化能在兩個系統的順序都是Pt/M > M > Cu/M (M = Ni or Rh);CH3CN則是Ni > Cu/Ni > Pt/Ni 及 Rh > Pt/Rh > Cu/Rh;而CH3CH2是Ni > Cu/Ni > Pt/Ni 及 Pt/Rh > Cu/Rh > Rh;這些結果我們都提出了LDOS的分析來佐證,得到了合理的解釋。
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    理論計算探討乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面之脫氫反應
    (2009) 陳育偉; CHEN,YU-WEI
    本論文分為兩大主題: 第一部分:乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面之脫氫反應 我們使用週期性的密度泛函理論來研究乙醇在2Ru/ZrO2(111)表面催化下之脫氫反應,我們計算出來乙醇有最大吸附能的結構是以乙醇的O原子接在表面的Ru原子上,而這個結構接續的反應會經由O-Ru路徑,即斷鍵的順序是:O-H鍵→βC-H鍵→C-O鍵而最後得到乙烯吸附在表面上;另外一個有第二大吸附能的結構是以乙醇的αC原子吸附在表面的Ru原子上,這個結構接續的反應會經由αC-Ru路徑,即斷鍵的順序是:αC-H鍵→O-H鍵→(βC-H鍵) →C-C鍵而最後得到氫氣。最後,我們也計算了吸附在表面上的H原子結合成氫氣的反應位能面,其所計算出來的能障大約是20-30 kcal/mol。這個結果象徵著使用參雜Ru的ZrO2表面可能是個頗為有效的催化劑來催化乙醇的脫氫反應。 第二部分:在ZrO2表面參雜Ru與否對催化乙醇脫氫反應的影響 我們使用週期性的密度泛函理論來研究乙醇在ZrO2(111)表面以及2Ru/ZrO2(111)表面催化下之脫氫反應的差別,發現在ZrO2(111)表面脫氫反應所需克服的活化能比在2Ru/ZrO2(111)表面還要高,特別是斷βC-H鍵的過程,其活化能的差距為36.05 kcal/mol,這導因於斷βC-H鍵產生的吸附物非常的不穩定。試著了解造成這個現象的原因,我們做了態密度以及變形能的分析,而分析的結果發現這導因於兩個因素:(1) 乙醇的O、C原子與2Ru/ZrO2表面的Ru原子的作用力強過與ZrO2表面的Zr原子的作用力;(2) 乙醇在ZrO2(111)表面催化下斷βC-H鍵所得到的吸附結構,其表面的變形能比起在2Ru/ZrO2(111)表面催化下的情形大很多(30.41 kcal/mol)。
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    理論計算探討在 2Ru/γ-Al2O3(110) 表面之乙醇脫氫及水氣轉移反應機構
    (2009) 廖正豪; Cheng-Hao Liao
    本篇論文我們利用週期性密度泛函數理論(DFT)的計算方法,探討在2Ru/γ-Al2O3(110)表面上對於乙醇脫氫以及水氣轉移(WGS)的反應機構。我們計算出乙醇最穩定的吸附結構是乙醇以氧端吸附於表面的Al原子上,βC端靠近表面的Ru原子,我們將此位向的乙醇脫氫路徑稱為βC path。此路徑的斷鍵順序為βC-H鍵 → C-O鍵,而其活化能為:0.109 → 1.159 eV,最後形成CH2CH2(a) + OH(a) + H(a)在表面上。第二穩定的乙醇吸附位向是以氧端吸附於表面的鋁原子上,αC端靠近表面的Ru原子,此脫氫路徑稱為αC path,此路徑最主要的斷鍵順序為αC-H鍵 → O-H鍵 →αC-H鍵 → C-C鍵 → βC-H鍵,而其活化能為:0.234 → 0.992 → 0.349 → 0.899 → 0.223 eV,最後產生CH2 (a) + CO(a) + H(a)在表面上。結果顯示理論計算與實驗上相符合。 水氣轉移反應的機制主要分為兩種:(1) carboxyl mechanism; (2) redox mechanism。在進行水氣轉移反應前我們先計算出一個一氧化碳與一個水分子在表面吸附能最佳的位置。水氣轉移反應第一步的水分子解離後不管是經由carboxyl mechanism或是redox mechanism反應都會遇到2 eV以上的能障導致反應無法繼續。於是採用將三個水分子同時吸附在表面上第一層的三個鋁原子上與一氧化碳進行水氣轉移反應。 計算三個水分子的系統後我們發現在2Ru/γ-Al2O3(110)表面上的水氣轉移反應較傾向經由redox mechanism路徑。此路徑會先進行 OH(a) → H(a) + O(a)步驟,活化能大小為1.219 eV;接下來會經由 CO(a) + O(a) → CO2(a) 產生二氧化碳,其活化能為1.497 eV。而carboxyl mechanism路徑的活化能比redox mechanism高,且中間產物也較不穩定。
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    理論計算探討M/N2O,MO/N2O,MN/NO2(M=Ru、Mo、W)脫氮反應之反應機構
    (2011) 林美嬌
    本論文分為兩大主題: 一. 探討Ru系列分解NOx。從石化燃料燃燒產生的NOx因具有毒性,故引起科學家關注。本文研究的目的是尋找使NOx轉變成無污染性之氣體N2,且低能障的反應路徑。透過理論計算的方式來探討其可能之反應機制。本主題共可分為兩部分進行探討: 第一部分: 探討Ru原子與N2O分子之反應機制。本文參閱參考文獻,利用計算不同重態之Ru對N2O之分解反應,做理論計算。關於Ru原子和N2O之反應機制乃利用B3LYP/[LanL2DZ + aug-cc-PVTZ]的計算方式來探討。結果顯示Ru + N2O最可行之反應路徑是Ru insertion 到N2O分子,形成ORu(η1-NN),而後再經反應分解產生 RuO+N2。此反應可視為無能障(反應最高能量位置相對於反應物為-68.87 kcal/mol) ,可將N2O轉變為穩定、無毒之氮氣(N2)分子,且放熱67.06 kcal/mol。 第二部分: 探討RuO分子與N2O分子;RuN分子與NO2分子之反應機制。利用RuO/N2O、RuN/NO2進行反應,可產生相同之中間產物,又此中間產物隨後可再分解成無毒的N2,且放熱效果相當好。此部分之反應機制利用B3LYP/[LanL2DZ + aug-cc-PVTZ]的計算層級來探討。結果顯示RuO + N2O最可行之反應路徑是生成RuO2 + N2之產物,反應最高能量位置僅16.11 kcal/mol ,且放熱65.74 kcal/mol。而RuN + NO2最可行之反應路徑仍是生成RuO2 + N2,反應亦可視為無能障(反應最高能量位置相對於反應物僅- 32.21 kcal/mol ),放熱115.89 kcal/mol。 二.探討MoN/WN分解NO2分子及Mo、W多步驟分解N2O。 利用上一主題找出之最佳反應路徑,將Ru改成Mo、W,進一步做相關之理論計算及比較。由能量計算可知WN反應性優於MoN。(MoN放熱139.19 kcal/mol;而WN放熱170.41 kcal/mol) ;而在M+N2O(M=Mo、W)生成N2的反應中,W反應性優於Mo。但若考慮H2還原之能量,則Mo才是較好的選擇。因MoO3利用H2還原成金屬僅需吸熱44.47kcal/mol,WO3卻需吸熱113.29 kcal/mol。
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    二氧化碳捕捉的分子動力學計算
    (2019) 余承庭; Yu, Cheng-Ting
    CO2 的回收和再利用是減緩全球變暖的關鍵。孔洞有機聚合物被認為是能加強 CO2 再循環技術的有前途的材料之一。我們進行了第一原理模擬,以苯環衍生物的各種模型比較取代基效應與CO2,N2和H2結合能,其中以 R-NH2 以及 R-COOH 為最佳官能化候選物。我們隨後開發了力場參數來模擬CO2 / PMBE ,CO2 / PMBA 和 CO2 / PMBOA 系統,以了解這些多孔材料對CO2 捕獲的方式為何,結果我們發現了當PMBOA 和PMBA 與 CO2 作用時發生了動能傳遞的現象,並且CO2 進入相轉換的溫度也以 PMBOA > PMBA > PMBE 的順序發生,證實官能基的修飾能加強材料對於 CO2 的吸附性。