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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    研究改變催化劑、外在環境條件和燃料對於蒸氣重組反應的影響
    (2011) 洪志城; Jeng-Han Wang
    本研究方向主要是以Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pd、Au這十種金屬為主的催化劑,探討不同條件下對反應的改變,主要方向有三個,第一個是支撐物的不同,第二個是外在環境的改變,我們在這邊主要是改變水和氧氣的比例,第三個則是改變燃料的選擇,利用上面所提到三種不同的條件,來探討在重組反應下的趨勢。我們實驗的方向分成三個部分: 第一部分我們主要探討支撐物在乙醇重組反應下的影響,我們使用SiO2、 Al2O3、Ce-Al2O3這三種不同金屬氧化物當作支撐物,並在相同條件下去進行實驗。討論三種金屬氧化物在氫氣產率上的差異。 第二部分則是討論外在環境的影響,這邊主要是利用水和氧氣的改變來進行討論,這邊細分三個部分 1.改變乙醇加水的比例利用Rh/Al2O3去進行一系列比較 2.則是利用Al2O3為支撐物去調控空氣的流量進行一系列的實驗, 3.則是將催化劑進行自發放熱反應,在這邊則是改變C/O ratio 的大小來探討其趨勢。 第三部分則是改變燃料,我們利用不同碳數的醇類當作燃料進行重組反應,討論氫氣產率對應在醇類上的不同。 綜合上面三個部分實驗我們可以得到一些明顯的趨勢,第一部分可以得知金屬氧化物的活性會影響到氫氣的產率大小,第二部分則是可以得知當水加入越多或是空氣流量越大也能提高氫氣的產率,第三部分則是可以知道說當醇類的碳數越少時對於氫氣產率越能提高。
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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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    以理論計算方法探討乙醇和甲醇在nNi/gamma-Al2O3(110)(n=1,2)表面的脫氫反應
    (2009) 巫昶昕; Chang-Hsin Wu
    我們利用periodic DFT的方法,計算乙醇和甲醇在1-2Ni/gamma-Al2O3(110)表面的吸附結構和分解路徑。在我們的研究當中,乙醇和甲醇利用OH基吸附在表面的鋁原子上有較好的吸附能,計算的結果分別為-1.61eV和-1.41eV。 在乙醇反應的探討當中,乙醇會在表面上形成四圓環或五圓環的結構,其中,四圓環的中間產物最後經過1.60 eV的能障後會斷C-C鍵形成CH3 + CO,而五圓環的中間產物會斷C-O鍵形成乙烯,所需要克服的能障為1.27 eV。甲醇可能經過脫氫反應形成一氧化碳,所需要克服的最大能障為1.27eV,而甲醇斷C-O鍵形成CH3 + OH所需要克服的能障為1.51eV。乙醇在我們模擬的情況當中有較佳的吸附能,且甲醇在整個反應當中所需要克服的能障在比較上相對比乙醇大。
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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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    氣相層析/音哨檢氣法對發酵製程中產生氣體之即時偵測法的研究
    (2015) 葉冠甫; Ye, Guan-Fu
    本研究使用微型發音哨,作為氣相層析儀的偵測器,藉由麥克風接收不同氣體經過發音哨時頻率的變化,透過音效卡加以記錄。當氣相層析毛細管柱之載流氣體與待分析的氣體混合後,因壓力差快速通過微型發音哨而發出不同頻率的聲響。即時的頻率變化量可藉由LabVIEW(Laboratory Virtual Engineer Workbench)程式同步進行傅立葉轉換,以獲得即時單一頻率。將此頻率變化對時間作圖,可得一即時層析音頻圖譜。本實驗便是依憑此音頻變化層析圖譜來進行實驗數據的即時分析。 為了提高發酵製醇的效率,本研究首次將學名為Saccharomyces cerevisiae的酵母菌株,以靜電紡織技術,將酵母菌包覆在聚左旋乳酸 (poly-L-lactide;PLLA) 的微管陣列薄膜中。酵母菌於室溫下約20小時會從106/mL 生長至108/mL,並於36小時後,生長至穩定。薄膜對酵母菌的活性不會有影響。使用包菌纖維可以解決發酵之後,乙醇溶液中移菌的困難步驟。再者,包菌纖維還可以回收持續使用,降低製造乙醇的成本。 本實驗使用自組裝電磁閥注射裝置,將發酵液放入注射裝置的樣品槽內,並將已包覆酵母菌的纖維共同置入發酵液中進行發酵。利用程式控制電磁閥,將發酵過程所產生乙醇的揮發氣體及二氧化碳等,以5分鐘的間隔,自動注入到毛細管柱中進行分離與記錄。實驗結果顯示,使用本實驗裝置,可以即時檢測並追蹤發酵程度,實驗過程可長達4日且完全自動化。根據頻率的變化量,可以即時偵測當下發酵液中乙醇的揮發氣體的濃度,並以其蒸氣壓判定溶液中乙醇的濃度。以1克的葡萄糖為起始物,用~106株酵母菌進行發酵時,在溫度28度之下,24小時後可以產生約0.12克的乙醇,並釋放出約20 mL的二氧化碳。三天發酵之中,合計生產了約0.43克的乙醇,並釋放出約41 mL的二氧化碳。將此包菌纖維進行第二次實驗,亦得到相同的結果,顯示本方法具有良好的再現性。