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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Item 以理論計算方式研究以下反應機構： I.水煤氣轉換反應在M/TiO2(110) (M=Pt, Au, Cu)表面之反應路徑探討 II.硫化氫在金屬表面W(111)的分解與氧化(2011) 彭士峰; Shih-Feng Peng我們使用週期性密度泛函理論來研究燃料電池系統中可能的催化反應，包括水煤氣轉換反應和硫化氫的分解與硫原子的氧化反應。在水煤氣轉換反應中，我們研究了在pure-TiO2(110)和M/TiO2(110)(M = Pt, Au, Cu8)表面上可能的反應途徑，其中以Cu8/TiO2(110)表面的反應活性最好，我們另外也計算了在Pt/TiO2(110)表面上的分子動態模擬反應。在Cu8/TiO2(110)表面上，我們計算了carboxyl和redox兩種反應機制的反應位能曲面，結果顯示在Cu8/TiO2(110)表面較容易進行redox反應路徑。而CO氧化反應的能障，從26 kcal/mol (pure-TiO2(110)) 降低到5.38 kcal/mol (經Cu cluster協助)；另外，H2O的分解反應也從12.08 kcal/mol (pure TiO2(110)) 降低到 8.35 kcal/mol (經O-vacancy協助)。然而在Pt/TiO2(110)的表面上，因Pt和CO分子的吸附能太大(約44 kcal/mol)，導致過度穩定中間態存在，發生毒化現象，不利於水煤氣轉換反應的進行。我們也計算了H2S在W(111)表面的分解反應，斷去其中兩個H-S鍵各需要跨越能障5.06 kcal/mol和15.68 kcal/mol，最終形成表面S原子和氣態H2分子，整個反應放熱51.80 kcal/mol。該S原子可繼續通入氧氣去除，形成SO和SO2的反應能障分別為14.44 kcal/mol和34.46 kcal/mol，最終形成氣態SO2分子放熱12.52 kcal/mol。Item 以理論計算的方式研究乙炔在金屬Fe(111)和W(111)以及Fe-W(111)雙金屬表面的氫化反應(2012) 張鈞智; Chun-Chih Chang本篇藉由密度泛函理論來研究乙炔分子在催化表面進行選擇性氫化反應，並且能夠順利使乙炔分子100%由氫化的方式轉換成乙烯。在我們的計算結果顯示出，利用Fe原子取代W(111)表面最上面兩層W原子形成的Fe(1,2)@W(111)表面有最好氫化選擇性效果。在乙炔氫化選擇性的反應中主要會有三種路徑發生：(1) 乙炔直接氫化至乙烯且可以順利於表面上脫附；(2) 乙炔過度氫化至乙烷；(3) 乙炔氫化至乙烯後進行C-C斷鍵形成兩個CH¬2吸附在表面。我們也針對其他雙金屬催化表面進行相同的反應(Fe(111)、W(111)以及利用不同層數所組合而成的Fe-W(111)雙金屬(在W(111)上以一層Fe原子取代形成Fe(1)@W(111)；在Fe(111)上以一層W原子取代形成W(1)@Fe(111)以及在Fe(111)上以兩層W原子取代形成W(1,2)@Fe(111))。在Fe(1,2)@W(111)表面上形成乙烯所需誇越的活化能只要0.84eV；而C¬2H4進行氫化形成C2H5所需經過的能障為2.43eV，若進行乙烯的C-C斷鍵反應則需要跨越2.27eV的活化能。以上兩種反應途徑皆較形成乙烯後直接於表面脫附(0.42eV)的能量來得高。因此在Fe(12)@W(111)表面能夠有效提升C2H2氫化的反應活性以及達到將乙烯脫附的的效果。Item 以理論計算方式探討硫化氫分解與硫氧化反應在純金屬Ni(111)與Pt(111)以及雙金屬Ni@Pt(111)與Pt@Ni(111)表面上的反應機構(2011) 葉丞豪我們使用週期性密度泛函理論來研究燃料電池中受到硫毒化問題以及氧化去硫的反應，含硫物種如硫化氫容易吸附在燃料電池的電極上並造成硫原子和金屬電極的強烈鍵結使得電極遭受毒化降低反應效能，利用添加氧氣去除硫原子形成二氧化硫分子離開是解決辦法之一。我們計算了純金屬Ni(111)和Pt(111)表面上的硫氧化反應中的關鍵步驟：SO2生成反應中的反應能障分別是1.07 eV以及0.41 eV，顯示在Pt(111)表面上去除硫的效果比在Ni(111)表面上好。而近年來越來越多研究指出使用雙金屬觸媒可以達到比純金屬更好的催化效果，我們的結果顯示在Ni@Pt(111)表面上SO2生成的反應能障為1.86 eV而在Pt@Ni(111)表面上僅需要0.13 eV的能障即會生成SO2。因此歸納對於氧化硫生成SO2的反應而言，其反應能力優劣順序為Pt@Ni(111) > Pt(111) > Ni(111) > Ni@Pt(111)，最後經由H2S在Pt@Ni(111)表面上分解會呈現吸熱的低毒化能力以及利用高低覆蓋率(或高低壓)的反應測試中都證明了Pt@Ni(111)表面具備更優於純金屬的抗硫性。Item MH+(M = Ni, Cu, Zn)和CH4, NH3, H2O等分子在氣相中反應以產生氫氣之理論計算與研究(2011) 楊芳怡; Fang-I Yang在本文中，我們將藉由密度泛函理論當中的B3LYP方法來探討週期表中第一排過渡金屬的氫化物（[MH]+，M＝Ni、Cu、Zn)，與含氫的小分子(CH4、NH3、H2O)之氣相反應，研究產生氫氣的可能反應機制，以及反應位能與能障的討論。 本實驗共分成三個部分進行研究：（1）MH+(M = Ni, Cu, Zn) + CH4 反應機構的理論探討，（2）MH+(M = Ni, Cu, Zn) +H2O 反應機構的理論探討，（3）MH+(M = Ni, Cu, Zn) + NH3 反應機構的理論探討。結果發現，在過渡金屬離子上加了一個hydrogen ligand的反應物[MH]+（M＝Ni、Cu、Zn），皆會先靠近CH4、NH3、H2O等分子形成複合物，經由相似過渡態TS結構，促使CH4、NH3及H2O等分子中的C-H、N-H、O-H 鍵斷裂，並和金屬上的H結合產生氫氣進而脫除。而我們也觀察到，這三種金屬氫化物(NiH+, CuH+, ZnH+) 以及三種小分子(CH4、NH3、H2O)的反應，在位能曲面圖上出現不同的反應趨勢，針對上述的問題我們也會進行更深入的討論。Item 氣相B, Al, Ga原子分別與 N2O，CO2，NO2分子反應機構的理論計算研究(2011) 徐淑娘; Shu-Liang Hsu人類的農、工、商活動，貢獻了大量的二氧化碳及一氧化二氮，這些迅速增加的氣體造成溫室效應，導致全球氣候異常；另一個因交通運輸及燃燒過程伴隨生成的污染物二氧化氮，影響生物的健康也不容小覷。本篇研究的目的為找出適當之反應物，並透過能障很低的反應機構，來使N2O、CO2、NO2轉變成穩定且無污染或低污染之氣體；我們也將此三種系統的反應性做比較，並提供可能的解釋。 我們使用Gaussian 03套裝軟體來完成理論計算，先以DFT (Density Functional Theory)使用B3LYP/6-311+G(3df)做結構的最佳化，更進一步做CCSD(T)/aug-cc-PVQZ單點計算。結果顯示氣相B、Al、Ga當起始反應物，分別與N2O 、CO2 、NO2進行反應，三個系統中，皆是以B的反應性最佳，可進行的反應路徑最多(包含Insertion)，且放出的能量也最多，Al次之， Ga的反應性最差。 依據Mulliken DA(donor-acceptor) 的理論，推論電子是從金屬轉移到氣體N2O 、CO2 、NO2分子中，形成金屬原子與這些氣體分子中charge為正電的原子相結合，其中間產物往往也最穩定。 此外，氣相B、Al、Ga當起始反應物，與N2O 、CO2 、NO2進行反應，以NO2 的反應性較多變化，而要將穩定的CO2活化，其反應性最差；只有在N2O系統的反應，才會在不需能障的情形下，將N2O降解生成無害的氣體N2，若在CO2 和NO2系統中要生成無害的氣體O2，皆是能障很高的反應，但仍可達成將CO2 和NO2降解成NO及CO氣體。Item 利用第一原理探討材料表面上二氧化碳電催化還原之特性 I.含氮碳管中類有機金屬結構對於二氧化碳的催化特性及碳管雜化後性質 II.應力效應對材料表面之電子結構及其對二氧化碳電催化還原反應特性之影響(2018) 詹侑得; Chan, Yu-Te我們使用DFT理論計算探討了二氧化碳還原反應在過度金屬螯合於氮參雜碳管(TM-4N2v-CNT)的特性。為了要模擬平面四方體均相催化劑，在這個模型當中包括了四個氮原子取代及兩個空缺位置，並在其空缺位螯合上Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pt及Cu。接著使用此結構沿著二氧化碳還原路徑尋找可能存在的中間體。在本篇所有研究的金屬，皆偏向進行水還原(Hydrogen evolution reaction)，且只有第八族元素可與CO產生強鍵結，並生成後續還原產物，而其他金屬則偏向生成HCOOH。而我們也以ligand field theory解釋這個中心金屬對於CO鍵結強弱的差異。透過增加電壓去穩定CO中間體，可在中心金屬為Ru及Os時產生甲烷，在中心金屬為Fe時產生甲醇。並且當增加碳管曲率時可減少電催化所需之電壓。然而反應中的主要產物主要還是由中心金屬種類決定。 我們透過DFT理論計算展示了應力效應如何影響銅催化電極對二氧化碳還原反應(CO2RR)的催化選擇性，我們討論了在二氧化碳電催化路徑上幾個關鍵的中間體，例如(_^*)H、(_^*)COOH、(_^*)CO、(_^*)CHO及(_^*)OCCOH，透過在考慮應力效應下前述中間體的相對形成能，我們推測二氧化碳還原反應(CO2RR)產出2C+的路徑將會被推動，其第一步關鍵中間體(_^*)COOH將比競爭反應水還原(HER)的中間體(_^*)H的形成能更增加約0.10 - 0.15eV，同時((_^*)CO→(_^*)CHO )的能障也增加約0.10-0.15eV，同時(_^*)CO的鍵結強度增加，表面上的(_^*)CO濃度因此升高。在適當應力區域，二碳中間體(_^*)OCCOH形成能會增加，並且在特定應力下此幅度大於一碳中間體(_^*)CHO約0.2eV，使得二碳產物的法拉第效率將有所提升。我們也藉由電子結構效應及立體結構效應解釋這些現象可能的原因。在本篇研究中，我們也發現在擠壓的應力下可能存在適於產生3C產物的表面銅原子排列，對後續材料的設計提供參考。Item 以理論計算探討在各種奈米團簇(純金屬或金屬氧化物)上之化學反應: I. 氮氣分子在釕金屬奈米團簇(Ru19與Ru79)上的斷鍵反應 II. 一氧化碳分子在Ni4(OH)3/hGO材料上的氧化反應 III. 乙醛及乙醇分子在氧化鋅奈米團簇[(ZnO)12]上的轉換反應(2016) 葉丞豪; Yeh, Chen-Hao藉由各式奈米團簇催化不同化學反應，是近年來的重要研究議題之一。其中N2分子的斷鍵是氨氣合成中的速率決定步驟並且釕金屬是常用於這個反應的催化劑。其中雙二十面體結構(double-icosahedral, DI-Ru19)的Ru19奈米團簇以及雙截角八面體形(twinned truncated octahedral, t-TO-Ru79)的Ru79奈米團簇結構，均具備高活性的”類山谷”區域能夠用來催化N2的吸附和斷鍵。我們的計算結果顯示N2在DI-Ru19團簇上的活性類山谷區域的斷鍵活化能最小為0.78 eV。在t-TO-Ru79團簇方面， N2在Ru79團簇上類山谷區域呈現非常低的斷鍵活化能只有0.27 eV。透過電子結構分析，N2的2π*軌域會直接對到釕金屬團簇上類山谷區域中排列的Ru原子，使得不少的電荷轉移經由Ru的d軌域轉移至N2的2π*軌域才使得N2在釕金屬團簇上的斷鍵活化能降低。 氫氧化鎳團簇與氧化石墨烯組成的材料是一種新型的材料並可以應用於電化學催化反應上。在這邊我們將一個Ni4團簇吸附於一個飽和的羥基氧化石墨烯表面(hGO)上並發現Ni4團簇會被氧化成氫氧化鎳的團簇穩定吸附於表面上(Ni4(OH)3/hGO)且放熱4.47 eV。接下來我們在這個新形成的Ni4(OH)3/hGO表面上進行CO氧化反應的可能反應機構研究-分別為Eley-Rideal (ER)、Langmuir-Hinshelwood (LH)以及carbonated反應機構。我們的計算結果顯示經ER反應機構第一個CO氧化形成CO2的活化能為0.14 eV，比經由LH (Ea = 0.65 eV)以及carbonated反應機構(Ea = 1.28 eV)還要小。CO經ER反應機構氧化形成第二個CO2的活化能為0.43 eV，仍然比CO經由LH反應機構氧化形成第二個CO2的活化能(Ea = 1.09 eV)還要小，代表CO分子在Ni4(OH)3/hGO表面上進行氧化反應可以經由ER反應機構進行。 氧化鋅在催化aldol或是Knoevenagel縮合反應上是個有效的催化劑並且還能應用於感測乙醇分子的感測器上。這邊我們即探討乙醛與乙醇在(ZnO)12團簇上進行吸附以及C-C結合反應的可能反應路徑。首先在只有乙醛分子的反應部分，其主產物會是乙醛採用aldol反應機構中Zimmerman–Traxler model進行C-C結合反應生成3-hydroxylbutanal。 接著在只有乙醇分子的反應部分，並不會有任何產物自發地產生無論是經由乙醇脫氫形成的乙醛或是乙醇分子經C-C結合反應產生的丁醇分子。最後當乙醛與乙醇共吸附於(ZnO)12團簇上的反應部分，主產物會是乙醛與乙醇分子經類似aldol反應機構作C-C結合反應形成之2-buten-1-ol 。這個結果說明若要在(ZnO)12團簇上進行乙醛或乙醇之間的轉換反應，其反應速率與產物會依據乙醛的含量而有所變化。Item 修飾奈米碳管以模仿雙核有機金屬催化劑(2016) 黃雨柔; Huang, Yu-Jou面臨能源短缺和環境汙染問題，發展永續能源是當務之急。太陽能驅動的水裂解反應(Water splitting)是解決能源危機和環境污染問題的一個理想途徑。其中，水氧化步驟為此反應過程的瓶頸反應，所以如何製備出高效能水氧化催化劑(Water oxidation catalysts, WOCs)是一個重要的議題。因此，在本研究中，我們運用理論計算方法建構一個氮參雜單層奈米碳管(N-doped single wall carbon nanotube)的化學分子模型，並探討此催化劑在水裂解反應過程中的催化效果。 首先，我們利用自旋極化密度泛函理論(spin-polarized DFT)來探討不同曲率之碳管模型的穩定性以及其水分子吸附能。此外，在電化學催化部分，除了使用密度泛函理論之外並加入凡德瓦爾(Van der Waals)作用力(DFT-D3)作計算。我們預想模型中的兩個活化位皆發生氧化反應，則可得知在水氧化過程中中間物(intermediate)的自由能大小及反應過電壓。 管徑為(5,5)、(6,6)、(7,7)、(8,8)、(10,10)之奈米碳管皆可進行水氧化反應，其過電壓大約在0.477至0.605伏特之間，比大部分的金屬塊材與金屬氧化物來的小。因此，這類的奈米碳管有較好的水氧化催化效果。然而，管徑為(12,12)之奈米碳管無法形成1212_1_2O的模型。在本研究中，我們成功地建構出高效能的水氧化催化劑——氮參雜單層奈米碳管。此模擬結果對未來水氧化催化劑的合成與應用具有重要的意義。