學位論文
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Item 第一原理模擬在材料開發的應用：(I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析，(II) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析，以及 (III) 電場於顯式溶劑之電化學模擬(2023) 廖振成; Liao, Chen-Cheng在材料科學與凝態物理領域不斷演進中，第一原理模擬已經在方法上具有非常重要的地位。這些模擬由量子力學出發，不依靠經驗參數，為我們提供了在微觀尺度上研究材料原子組成和電子性質的方式。第一原理模擬不僅提供了實驗上無法觀測到的微觀現象，也在於它們具有普遍地提供預測能力。隨著人工智慧(AI)的出現，AI驅動的算法與基於第一原理的模擬之間的協同作用已帶來了加速材料發現和設計的新時代。這種融合不僅有助於了解複雜現象，並有助於促進新一代設備的設計。基於第一原理的模擬和AI的緊密結合不僅是互補的；它正在革命性地改變我們在21世紀如何接近、理解和利用材料的潛力。第一部分 (I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析 錫基鈣鈦礦是一種非常有潛力的材料，用以取代傳統具有毒性的鹵化鉛鈣鈦礦，但其不穩定性限制了其發光性能。然而，二維的錫基鈣鈦礦能夠提升激子束縛能進而提升光致發光量子產率(PLQY)。除此之外，二維錫基鈣鈦礦中的有機層與無機層之介電常數差異亦會影響機子束縛能。本篇將透過密度泛函理論探討以下二維錫基鈣鈦礦：(TEA)2SnI4, (PEA)2SnI4, (p-FPEA)2SnI4, (p-ClPEA)2SnI4 以及(p-BrPEA)2SnI4之介電常數，並探討其與PLQY之關係。其結果顯示改變陽離子組成，並不會大幅地影響陽離子層之介電常數，反而會誘導陰離子層的介電常數產生變化。 第二部分 (II) 電場於顯式溶劑之電化學模擬 本研究系統性評估了對Cu(111)表面上電化學CO二聚化的顯式溶劑模型。在存在吸附物和銅表面的情況下，對溶劑的組成在室溫下進行了分子動力學採樣。本研究通過考慮引入外加平板電場，對CO二聚化反應路徑上的能量和功函數進行探討。我們觀察到，即使在引入外加電場的情況下，使用定電位修正，CO二聚化過程的活化能和反應能仍然保持相近的數值，分別約為0.95電子伏特和0.35電子伏特。這一發現在顯式溶劑模擬下，再次確認了CO二聚化主要是一個由熱驅動的過程。此外，引入外加電場範圍從+0.2 V/Å到-0.2 V/Å，在pH = 7條件下，導致有效的電化學電位相對於標準氫電極從+1.766 V變化到-0.565 V。第三部分 (III) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析 本研究焦點是通過在Pd(111)表面上之單原子銅催化劑進行電化學CO和CHO耦合過程，探討C-C鍵形成進行計算。我們發現了過程中穩定的中間體，即[CuO2](CO)2，在暴露於CO氣體分子時被視為一種四牙和四面體的中間產物。在本篇電化學計算中，將CO團氫化為CHO的能量需求為0.87電子伏特，其低於常規Cu表面相應步驟的能量。本研究觀察到從頂層Pd原子到吸附物分子的電荷轉移效應，尤其是在過渡態處。這一現象導致了0.67電子伏特的C-C鍵形成能障。此外，C-C鍵形成的為放熱反應，為-0.21電子伏特，代表了利於生成C-C鍵的化學平衡條件。最後，由動力學建模分析討論氣體分子(CO、CO2、O2)的溫度和壓力影響，我們發現[CuO2]*(CO)2中間體在室溫下大量存在，並在乾燥的環境條件下表現出很好的化學耐受性。Item 利用理論計算探討金屬團簇還原二氧化碳的催化反應(2024) 張庭瑜; Chang, Ting-Yu二氧化碳（CO₂）還原反應在減少溫室氣體排放和生產可再生能源方面具有重要意義，由於CO₂分子本身的高穩定性，使其還原過程具有挑戰性。本研究利用理論計算方法，探討了金屬團簇在CO₂還原反應中的催化性能，選擇了幾種具有潛在催化能力的金屬團簇，如鈀（Pd）、和鈷（Co）等金屬，並對其結構和電子性質進行了密度泛函理論（DFT）計算，比較不同團簇與CO₂分子的吸附能及反應路徑，發現這些團簇在特定條件下能夠有效地活化CO₂分子。接著，研究了CO₂在這些金屬團簇表面的還原反應機理，並計算了各步驟的吸附能，結果顯示，Pd和Co團簇在還原CO₂的過程中都具有較高的催化活性，研究結果表明，適當的表面修飾和反應條件可以進一步提升金屬團簇的催化活性和選擇性。總結來說，本研究通過理論計算證明了金屬團簇在CO₂還原反應中的潛在應用價值，為設計高效、選擇性的CO₂還原催化劑提供了重要的理論依據。Item 以密度泛函理論計算改良鹼性析氫反應之描述符(2022) 顏宏宇; Yen, Hung-Yu在過去的研究中，酸性的析氫反應只需計算氫的吸附自由能(∆GH*)，即可決定催化劑的好壞。在本篇研究中，我們利用3個鹼性析氫反應中最重要的參數：氫的吸附自由能(∆GH*)、氫氧根的吸附自由能(∆GoH*)、水解離活化能(Ea(water))，繪製出雷達圖，建構出一個簡單、有用的方法，來判斷較為複雜的鹼性析氫反應活性。一開始，本篇研究先計算單金屬銀(Ag)、金(Au)、鈷(Co)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉑(Pt) (皆為FCC (111)面)，並數繪製成雷達圖，與文獻值的交換電流密度對數(log i0)繪製成散佈圖後，發現兩者呈現高度正相關，代表雷達圖面積可以很好的對應鹼性析氫反應的活性。接著，本篇研究測試了以鉑(Pt)和鈀(Pd)為基底的雙金屬催化劑：Pt3M、PtM、Pd3M、PdM (M = Ag、Au、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru)，並且將雷達圖面積與功函數比較後，發現兩者呈線高度正相關，代表功函數也可以代表活性，並且以鉑(Pt)為基底的雙金屬催化劑的活性高於以鈀(Pd)為基底的雙金屬催化劑，其中又以Pt3Au為最高。最後，本篇研究也計算了非金屬催化劑Fe3O4(220)及FeP(111)，繪製出雷達圖後，其活性趨勢為FeP(111)> Fe3O4(220)，與實驗中磷化物的活性高於氧化物的趨勢相符。Item 產氫反應機制與活性在鈷鐵磷化物上的計算與實驗研究(2022) 廖振廷; Liao, Chen-Ting氫氣燃料作為取代化石燃料成為下一代符合永續發展的能源，以電解水方式進行析氫反應可以說是一種有效且可行的產氫方式，本篇研究以非貴金屬材料CoP、FeP和CoFeP作為反應觸媒，分析其反應機制並利用雙金屬的摻雜增進析氫活性。本篇研究第一部分以常見的方法以氫吸附能分析析氫活性，利用氫原子在真空下吸附於觸媒表面計算吸附能，我們以Ag、Au、Co、Cu、Ni 、Pd、Pt、Rh確認吸附能與析氫反應電流的火山圖趨勢，接者以相同方式探討CoP、FeP和CoFeP，發現CoFeP由於Co-Fe雙金屬摻雜影響電子結構，確實有著更好的吸附能(ΔGH*≈0)。除此之外’，我們對於火山圖趨勢中Cu的偏移，我們利用含水層的模型計算其反應的活化能以及電位改變對電子轉移過程的影響，成功解釋了Cu不在火山圖趨勢的原因。利用這個方法，我們發現CoFeP在速率決定步驟Volmer step的活化能低於CoP、FeP，因此我們認為在計算上CoFeP會有更好的析氫活性。最後，我們利用實驗確認CoP、FeP和CoFeP的電化學活性，以共沉澱法和化學氣相沉積合成，再以SEM、EDX、XRD、XPS確認觸媒之晶粒大小皆為6~8 nm，且都為均勻的純相磷化物，透過電化學方法，我們測得CoFeP有更好的電化學活性，在10毫安電流的過電位為50 mV以及117 mV/dec的塔菲爾斜率，在排除活性面積的增加改變電流，我們確認了雙金屬在觸媒間的互相影響不只增強了化學穩定度，也確實增加了反應活性。Item 利用密度泛函理論計算方法探討二氧化碳還原反應在銅與金銀鋅合金及銅氧化物的催化反應機制(2021) 陳安潔; Chen, An-Jie化石燃料的過度使用導致二氧化碳含量不斷上升，危害了我們的環境及改變我們的氣候，因此有效地降低及利用二氧化碳是刻不容緩的議題。本篇研究我們將藉由密度泛函理論計算方法系統性地探討二氧化碳還原反應在以銅為基底之電催化劑其催化反應機制。在本篇研究的第一部分，我們探討了二氧化碳還原反應在銅金合金、銅銀合金以及銅鋅合金等雙金屬催化劑生成一氧化碳的反應機制。結果顯示透過應變效應及配位基效應的作用下，可以改變重要中間產物COOH、CO及H的吸附能，進而改變反應催化效果。在這些雙金屬催化劑之中，銅金合金能有效地提升COOH吸附能及降低CO及H的吸附能，提升二氧化碳還原反應及降低產氫反應的進行，且透過相同機制，我們發現銅銀鋅三元合金比二元合金又能有更好的催化效果。在本篇研究的第二部分，我們則是探討二氧化碳還原反應在以氧修飾之銅催化劑利用碳碳耦合形成二碳產物之反應機制。我們在此詳細地探討二氧化碳還原形成OCCHO中間產物在純銅(111)表面，以及當含有表面氧或含有次表面氧的銅表面之可能反應的路徑。結果顯示次表面氧的加入可以有效地提升反應的活性，然而表面氧反而會降低反應活性，其提升或降低催化活性的主要原因為表面銅價態的改變所造成。