化學系

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國立臺灣師範大學化學系座落於公館校區理學院大樓。本系成立於民國五十一年，最初僅設大學部。之後於民國六十三年、七十八年陸續成立化學研究所碩士班和博士班。本系教育目標旨在培養化學專業人才與中等學校自然及化學專業師資，授課著重理論及應用性。本系所現有師資為專任教授25人，另外尚有與中央研究院合聘教授3位，在分析、有機、無機及物理化學四個學門的基礎上發展跨領域之教學研究合作計畫。此外，本系另有助教13位，職技員工1位，協助處理一般學生實驗及行政事務。學生方面，大學部現實際共322人，碩士班現實際就學研究生共174人，博士班現實際就學共55人。

本系一向秉持著教學與研究並重，近年來為配合許多研究計畫的需求，研究設備亦不斷的更新。本系所的研究計畫大部分來自國科會的經費補助。此外，本系提供研究生獎助學金，研究生可支領助教獎學金（TA）、研究獎學金（RA）和部分的個別教授所提供的博士班學生獎學金（fellowships）。成績優良的大學部學生也可以申請獎學金。

本校圖書館藏書豐富，除了本部圖書館外，分部理學院圖書館西文藏書現有13萬餘冊，西文期刊合訂本有911餘種期刊，將近約3萬冊。此外，西文現期期刊約450種，涵蓋化學、生化、生物科技、材料及其他科學類等領域。目前本系各研究室連接校園網路，將館藏查詢、圖書流通、期刊目錄轉載等功能，納入圖書館資訊系統中，並提供多種光碟資料庫之檢索及線上資料庫如Science Citation Index，Chemical Citation Index，Chemical Abstracts，Beilstein，MDL資料庫與STICNET全國科技資訊網路之查詢。

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    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。
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    用計算化學方法研究 Nafion 修飾銅電極之 CO 耦合機制
    (2024) 蔡宗翰; Tsai, Tsung-Han
    本論文探討了全氟-1-戊烷磺酸鈉修飾的Cu(111)表面在Nafion等磺酸全氟聚合物修飾下的電化學電極，以模擬C-C耦合反應。通過分子動力學模擬，研究了不同濃度的全氟-1-戊烷磺酸鈉和不同水量對電極表面修飾的影響。結果顯示，高濃度的全氟-1-戊烷磺酸鈉可能導致部分分子在水層的作用下與電極表面接觸，但隨著濃度降低，這種情況得到改善。進一步使用密度泛函理論（DFT）模擬了電化學電極表面的OC-CO和OC-COH耦合反應。研究發現，質子化的*COH較容易與*CO進行耦合反應，且OC-CO耦合反應的能從1.87 eV降至OC-COH耦合反應的0.68 eV。但OC-COH耦合反應需要先經歷能為1.52 eV的*CO質子化反應，該反應可以通過偏壓驅動的質子轉移反應（PCET）實現。除此之外進行了真空電極表面*CO和*COH的擴散模擬，並研究了吸附物相遇方向對耦合反應的影響。結果顯示在真空電極表面*CO和*COH的擴散能皆很小，分別為0.001 eV和0.144 eV。當OH朝向*CO時，*CO可以輕易地靠近*COH，而當靠近的*COH發生轉向使得OH鍵朝向*CO的反向時，OC-COH耦合反應之能壘可以從0.73 eV下降至0.53 eV，但反應能卻從0.20 eV上升至0.29 eV。DOS和COOP分析表明與混層軌域能量和程度有關。本研究針對全氟-1-戊烷磺酸鈉修飾的電化學電極表面中的C-C耦合反應進行了深入的探討。研究結果揭示了修飾條件和反應機理之間的關係，為設計和優化磺酸全氟聚合物修飾的電化學電極提供了有價值的見解。這些發現對於促進有機合成反應和電催化領域的發展具有潛在的應用價值。
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    泛涵密度理論於硫化氫在Group IV (Si, Ge/Si, Ge) 半導體表面吸附與反應之研究
    (2011) 鄧宗凡; Tsung-Fan Teng
    本文利用泛函密度理論(DFT)探討硫化氫(H2S)在Si(100)-c(4x2)表面, Ge/Si (100)-c(4x2)與Ge(100)-c(4x2)表面上的吸附和反應。在這次研究中，我們發現了四種最穩定產物，其中一個是從來未在文獻中討論過的；這四種穩定產物都是從硫化氫分子吸附經由二次的氫解離，到硫原子跨橋鍵結的過程。另外，經由DOS分析發現Si (100)表面, Ge/Si (100)表面和Ge (100)表面擁有相似的特徵，其中都以c (4×2)為最穩定的表面。 在三者表面上，我們利用理論計算探討表面特性，包括鍵角、鍵能及鍵長；當硫化氫吸附上表面，我們也利用計算提供了中間物和產物的吸附能、鍵角、鍵長、振動波長、結合能以提供後續實驗化學家參考。 根據理論計算數據，我們也畫出反應能量圖，藉由此圖我們可清楚知道反應路徑、反應機構及能量的變化。在四個穩定產物中，其中兩個產物比較取決於動力學下的產物：另外中兩個產物比較取決於熱力學下的產物。主要原因在於速率決定步驟時的活化能以及產物的相對能量。根據反應能量圖，我們也發覺有些反應活化能較小，也利用了EDD(electron density difference) 去探討電子密度的分布來找到合理的解釋。 再者由於電子產品的不斷創新，本實驗也提供了不同材料表面的探討，原來由鍺來替換矽材料，是希望藉由鍺的電子高移動速率，達到較高品質的電子產品，但鍺表面的易氧化帶來負面效果，所以探討了在矽表面濺鍍一層鍺的表面特性。
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    NOx ( x=1, 2) 吸附與分解反應在M(111) (M=Cu, Ir, CuIr) 表面之理論計算研究
    (2010) 顏美吟; Mei-Yin Yen
    第一部分 : NOx ( x = 1, 2)在Cu(111)表面之吸附與分解反應 我們使用週期性密度泛函理論來研究NOx ( x= 1, 2)在Cu(111)表面之吸附與分解反應，計算結果顯示NO2在表面上最穩定的吸附結構為μ-O,O´-nitrito，以兩個O原子接在表面Cu原子上，而NO2要進行分解時，會轉換成μ-N,O-nitrito結構，以N原子與一端O原子接在Cu原子上。NO2逐步分解反應第一步活化能為1.05 eV，第二步為2.08 eV，最後在表面上形成N(a) + 2O(a)。另外，我們也計算了三組NO分解的模型，分別為NO / Cu(111)、O + NO / Cu(111)以及N + NO / Cu(111)，探討NO在三種環境中的分解能障。結果發現，有O原子共吸附時，NO的5σ軌域面積是三組中最大的，而有N原子共吸附時的5σ面積最小，代表NO在O-pre-adsorbed的環境下要行斷鍵反應最不易。計算三組NO斷鍵活化能：O + NO(2.08 eV)＞NO(1.88 eV)＞N + NO(1.28 eV)，與先前計算吸附後NO的5σ軌域面積大小呈線性關係。 第二部分 : NO在Cu(111)、Ir(111)、Ir@Cu(111)、Cu@Ir(111)表面的吸附與分解反應 　　我們使用週期性密度泛函理論來研究NO在單金屬Cu(111)與Ir(111)以及雙金屬Ir@Cu(111)、Cu@Ir(111)表面之吸附與分解反應，其中雙金屬表面又分不同比例(在M(111)表層分別取代1、5、9顆之M´)的金屬取代。計算結果發現，NO在Ir(111)純金屬表面的吸附與分解皆較Cu(111)容易。比較雙金屬Ir@Cu(111)系列，吸附的部分以1Ir@Cu(111)表面可得到最大的NO吸附能(-2.56 eV)，而分解的部分則是在5Ir@Cu(111)表面有最低的活化能(0.76 eV)。另外，比較Cu@Ir(111)系列，吸附的部分以5Cu@Ir(111)表面可得到最大的NO吸附能(-2.72 eV)，而分解的部分同樣在5 Cu@Ir(111)表面有最低的活化能(1.26 eV)。不論是Ir@Cu(111)或Cu@Ir(111)系列，在NO吸附的選擇上，皆是偏好在Ir原子位置上，而NO斷鍵部分也發現在雙金屬表面上大部分有低於純金屬表面的活化能，除了1Ir@Cu(111)表面外。
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    利用 DFT+U 理論探討乙烷氧化脫氫反應在 MoO3, Mo-V, Mo-V-W 催化劑上的反應機構
    (2016) 詹堯舜; Zhan, Yao-Shun
    相比於傳統方法,乙烷轉化乙烯技術具有高產率低耗能的優點。 原料乙烷可由富含乙烷的天然氣油田,或石化工業的副產物中中提出。 半導體表面對於烴類的催化反應已被廣泛研究,如三氧化鉬和五氧化 二釩的半導體表面。Mo-V-O 基底催化劑已被開發成 ODH(氧化脫氫) 反應的催化劑。在一般化學生產工業中,乙烯主要由長碳鍊原料蒸汽 裂解製成。而由乙烷的天然氣脫氫可以更簡單的得到乙烯的直接產 Mohammed Al-Hazmi& YongMan Choi 等人製造出 Mo-V-Mn-W 催化劑,以進行短接觸時間的乙烷氧化脫氫反應。隨著不同的鎢荷載 量,發現對於乙烯有不同的選擇性。 本研究利用第一性原理計算,探討乙烷在純三氧化鉬表面的脫氫 反應機制,並透過表面無共吸附氫模型,比較三氧化鉬摻雜不同比例 的V&W,催化乙烷的脫氫反應機構。並藉由尋找可能的反應的機構, 預測乙烷轉化過程中可能的產物,以及找出最適合進行乙烷催化乙烯 的催化劑表面。