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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    乙醇電氧化在過渡金屬上反應研究
    (2013) 林星榮; LIN, Xing Rong
    本研究,利用一系列的金屬催化劑,包括Rh、Ir、Pd、Pt、Au、Ru、Cu、Co、Ni、Ag等十種金屬,在酸性和鹼性條件下對乙醇電氧化反應做有系統的研究。 利用含浸還原法製備金屬催化劑,並加入NaBH4當作還原劑,使金屬還原並吸附在Vulcan XC-72上。合成出來的樣品粉末會先經由XRD、SEM、EDX和TEM的測試,藉此來確認它們的結構、組成、和顆粒大小,接著在把合成出來的金屬觸媒吸附到玻璃碳電極上做電化學的測試。利用循環伏安法做電化學的測試,藉由掃描出來的圖譜,可以得到氫氣吸脫附和CO脫除的訊號,經由計算可以得到金屬催化劑的表面活性面積。金屬催化劑對乙醇電氧化反應活性的研究,則利用循環伏安法和計時安培法,在包含1M乙醇的酸性(0.5M H2SO4)和鹼性(0.1M KOH)溶液當中,測試電氧化活性和抗毒化的能力。 綜合電化學的結果可以得到幾個結論:(1) 一般認為Pt在酸性條件下,而Pd在鹼性條件下時,對於乙醇電氧化能力是較好的金屬催化劑;Au 則具有不錯的抗毒化能力。(2) 當金屬催化劑的顆粒大小越小時,乙醇電氧化的效能會越好;而提高金屬的比例不一定就會提升乙醇電氧化的效能。(3) 乙醇電氧化的起始氧化電位越低,氧化峰的電位也會越低,氧化峰的電流強度會越高。 關鍵字:電氧化、過渡金屬、乙醇、一氧化碳脫除
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    改變催化劑和外在環境條件在乙醇蒸氣重組反應中的研究
    (2012) 廖翊凱; Yi-Kai Liao
    在這篇論文中,我們系統性的研究十種不同的金屬分別是Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt 和 Au),將其附著在三種不同的金屬氧化物支撐物上來進行氧化乙醇蒸氣重組反應,這三種氧化物支撐物分別是氧化鋁(Al2O3)、氧化鈰(CeO2)和參雜了Dy的鈣鈦礦結構BaZrO3。在各種不同的外界環境條件下來進行反應,像是以不同的乙醇和水的比例、氧氣的改變,能更清楚的了解整個乙醇蒸氣重組反應中,不同催化劑的性能以及它們在反應中可以帶來什麼影響,也可以研究其反應機構。在催化劑的效用中,我們發現Cu、Ag、Au可以幫助乙醇的氧化,而Co、Ni、Pd和Pt可以幫乙醇脫水,另外Ru、Rh、Ir則有助於C-C的斷裂,並產生主要是CO和CO2的副產物,同時也可以有最高的氫氣產率。在支撐物方面,經過煮沸的氧化鋁因為有較高的比表面積和更多的孔洞跟未煮沸的氧化鋁相較起來有更好的反應性在乙重蒸氣重組反應中。CeO2和Dy參雜的BaZrO3則是有較多的氧空穴,讓它們在反應中有較好的反應性。在催化條件下,較高的氧氣和水的乙醇比例可以提高氫氣產率,由於氧氣和水可以幫作在反應中的氧化劑,幫忙乙醇的氧化幫助C-C的鍵斷裂。再者,這被當成氧化劑的兩者會因為CeO2和BZDy中的氧空穴的存在,更加強了它們的交互作用,在反應中會有更好的表現。
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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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    乙醇在二氧化鈰金屬催化系統上之吸附及轉化
    (2009) 廖恆毅
    針對乙醇在一系列以CeO2 及 SiO2 為載體的觸媒上之吸附和轉化現象進行研究以進一步了解乙醇的重組反應。首先製備出這一系列的觸媒,並對其進行氮氣表面吸脫附、X光粉末繞射、 溫度程序控制還原、乙醇脈衝吸附、溫度程序控制脫附、乙醇脈衝反應等鑑定及測試。實驗結果顯示,經氧化處理的觸媒表面表現出較還原處理的觸媒更高的乙醇吸附量,且其吸附機制似乎亦有所不同。乙醇重組反應在單純的CeO2表面上即可能完成。在Pt/SiO2中Pt的參與作用僅在於促進表面吸附物種的分解,藉此加速反應進行的流程。但就長時間作用而言,Pt的存在會造成觸媒反應性衰減。Pt/SiO2和Pt/Ce/SiO2均表現出較預期良好的乙醇轉化能力,且沒有出現觸媒反應性衰減的情形。在Pt/SiO2表現出可觀乙醇吸附及轉化能力的同時,單純SiO2和diluted Pt (混合PtO2和SiO2)的表面上似乎完全沒有乙醇吸附。因此在Pt/SiO2上觀察到的吸附及轉化能力可能與Pt及SiO2之間的連結作用有關。
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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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    理論計算探討乙醇於Rh/γ-Al2O3(110)表面上之吸附結構與脫氫的反應機構
    (2007) 賴盈任; Ying-Ren Lai
    利用periodic DFT的計算方法, 我們探討乙醇於Rh/γ-Al2O3(110)表面之吸附結構與分解路徑。相較於乙醇吸附於Rh上的結果,乙醇吸附於表面的鋁離子上具有較好的吸附能,然而此酸性性質的γ-Al2O3載體會幫助乙醇脫水形成乙烯,因此我們考慮了其他的吸附結構來探討乙醇的分解路徑。由乙醇以α碳端吸附於Rh原子上的結構作為起始架構,相繼的反應路徑為脫附兩個α氫原子;能障分別為2.59與7.35 kcal/mol。下一步驟的脫氫反應是脫附O-H之氫形成中間產物CH3C(a)O + 3H(a),所需克服的能障為10.13 kcal/mol,由此中間產物斷去C-C鍵,所需克服的能障為12.06 kcal/mol,形成C(a)H3 + C(a)O + 3H(a)等中間產物吸附於表面,於此所計算的乙醇分解路徑,在實驗上有類似的觀察結果。
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    理論計算探討Rh/CeO2(111)表面上
    (2007) 劉士弘; Shih-Hung Liu
    隨著化石燃料的日漸枯竭,人們正在找尋可以替代石油的能源來源。而氫氣(H2)是目前較佳的燃料之一,將氫氣使用於內燃機引擎中,其燃燒產生的物質對環境是沒有污染性的。此外,氫氣也可以應用於H2/O2燃料電池的高效率發電方面,且具有相當的實用價值。乙醇可以當做是氫氣主要的來源之一,乙醇在合適的氧化物表面上時,加以合適的溫度,可以有絕佳的催化效果,而產生高效率的脫氫反應。在本文中,我們利用週期性的電子密度泛函理論的計算方法,探討乙醇在Rh/CeO2(111)表面上之可能的分解反應機構。結果發現,乙醇若以該分子的氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面的Ce原子上,比起其他表面原子而言(例如Rh與O原子),將有著較高的吸附能。是故乙醇首先將會以該氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面的Ce上,而形成CH3CH2O(H)–Ce(a),再藉由接續的脫氫反應(斷去O–H以及H2C–H),計算所得能障分別為12.00以及28.57 kcal/mol,之後形成一個穩定六員環的中間物Rh–CH2CH2–Ce(a) (oxametallacycle)。此外,分別計算所脫附的氫原子在表面的不同原子上(Ce, Rh和O),發現氫原子吸附在氧上有著最高的吸附能(Eads = 101.59 kcal/mol)。再者,該中間物會先在α-碳上接連斷去兩個C–H鍵而形成吸附中間物 Rh–CH2CO–Ce(a),計算所得能障分別為34.26和40.84 kcal/mol。最 後Rh–CH2CO–Ce(a)將藉由斷去C–C鍵結(TSC-C ; Ea = 49.54 kcal/mol)而形成Rh–CH2(a) + 4H(a) + CO(g)的產物,最後這些產物在高溫下再產生脫附反應,而形成CH4(g) + H2(g) + CO(g)。 另一方面,我們在有水分子存在時之乙醇的脫氫反應能障相較於無水分子存在時,討探是否有降低的趨勢,結果發現有水分子的幫助,脫氫反應能障大致上有降低的趨勢。
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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。