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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Item 兩性共聚物:合成以及對水泥砂漿中氧化石墨烯分散性之影響(2022) 郭景隆; Guo, Jing-Long本篇論文的研究主要為合成出一種羧酸系兩性離子型共聚物PD (單(5-氨基-2-(1-(2-((羧甲基)二甲基氨基)乙氧基)-1-氧代丙烷-2-基)-4-甲基-5-氧代戊酸酯)二鈉),用來改善氧化石墨烯在水泥砂漿中的分散,提升試體的抗壓強度。實驗過程中使用馬來酸酐和DMEA(N,N-二甲基乙醇胺)合成DME(二甲基胺乙基氧羰基丙烯酸),然後再與氯丁酸鈉鹽反應得到單體DCA(N,N-二甲基((羧酸)丙烯醯氧基乙基)乙酸鈉),最後使用過硫酸銨為起始劑,與不同比例的丙烯醯胺(AM)經由自由基聚合反應合成得到共聚物PD,經由FTIR和1H-NMR光譜鑑定共聚物的分子結構,並以GPC/SEC測得其分子量。另外,使用modified Hummers法將石墨烯氧化成氧化石墨烯(GO)。將PD加入含GOA的人工孔隙溶液中,透過沉降體積試驗、黏度實驗、粒徑分布與界達電位的測試,探討PD對於GO在人工孔隙溶液中的分散效果。測試結果顯示, GO在人工孔隙溶液中的沉降時間隨著PD之AM/DCA比例的增加,呈現先增後減的趨勢。其中PD在AM/DCA=5時有最長的沉降時間;此外,GO在溶液中的沉降時間隨著PD分子量的上升或添加量的增加,呈現先增後減之趨勢。其中以添加10wt% PD15b時,GO在溶液中的沉降時間為最長,達到45小時,此時溶液的黏度為最低(3.08 mPa‧s),溶液中GO的D50粒徑為最小、界達電位之負值為最大,分別為127 nm和-25.5 mV,亦即在所合成的共聚物中以PD15b(AM/DCA=5, M̅n=1.8×104)對於氧化石墨烯在孔隙溶液中有最好的分散效果。將PD15b加入含GOA的水泥砂漿中,進行抗壓強度測試,發現添加10wt% PD15b與0.05wt% GOA的砂漿試體,在28天的抗壓強度為34.6 MPa,與未添加GOA、共聚物的控制組相比提升了52.4%。Item 還原氧化石墨烯奈米複合材料之製備與化學偵測(2021) 蔡孟憲; Tsai, Meng-Shian為因應目前感測器低成本、微小化、便於攜帶、穿戴式以及可即時監控的發展趨勢,本研究開發一系列簡易且低成本之方式合成還原氧化石墨烯 (reduced graphene oxide, RGO) 為主體的奈米複合材料,在氧化石墨烯結合有機或無機材料並與觸媒奈米粒子綴合的反應過程中,同時將其進行還原,以一步化合成多元還原氧化石墨烯奈米複合材料,並探討這些複合材料於感測方面之相關應用。 依所合成之石墨烯複合材料以及分析物的不同,研究之內容可分為三大部份,第一為應用石墨烯所具有的電催化特性以及表面高活性位點,製備為可同時檢測苯二酚同分異構物之電化學感測器,第二及第三部分則是透過石墨烯本身的高機械強度以及高導電性,發展為可撓性濕度感測元件以及高靈敏性的NH3感測元件。 第一部分的實驗設計是利用多元醇法 (polyol synthesis) 結合有機金屬裂解法 (Metal Organic Decomposition, MOD),以簡易且低成本的方式一步化合成金奈米粒子/還原型氧化石墨烯/三氧化鎢 (AuNPs/RGO/WO3) 三元奈米複合材料,並將此材料製備為AuNPs/RGO/WO/GCE電化學感測元件,提供了能有效區別並快速檢測hydroquinone (HQ) 以及catechol (CC) 混合樣品之感測平台。材料中RGO與AuNPs的高導電性與電催化活性,能顯著提升以Cyclic Voltammetry (CV)和Differential Pulse Voltammetry (DPV) 檢測HQ以及CC之靈敏度與選擇性,且提供新的電子傳導途徑,有效地改變材料中電子之傳遞能力,進一步增進元件的感測特性,而在真實環境下檢測HQ和CC,此元件依然具備良好的定性與定量之能力,其RSD分別為85%~111%和89%~119%,證實開發此感測材料對於HQ以及CC之實際檢測具有一定的應用價值。 而實驗第二部分為利用高分子單體化學氧化聚合為導電高分子而同時進行還原作用的方式,設計出Pt/polythiophene/RGO阻抗式濕度感測元件,此感測元件以RGO和polythiophene所具有高比表面積、高導電性以及Pt粒子所提供的電子傳導路徑等性質,將有效提高對於濕度之感測特性,此外藉由RGO具有高機械強度以及高可撓之特性,所製備之感測元件可撓性極佳,對於發展為穿戴式感測材料有極大之潛力。 第三部分為以簡易且一步化之方式合成Au/polythiophene/RGO、Ag/polythiophene/RGO、Pd/polythiophene/RGO以及Pt/polythiophene/RGO奈米複合材料並應用於NH3氣體之檢測,探討不同金屬觸媒前驅物對於材料整體合成之影響,並分析這些奈米複合材料對NH3感測之差異性,由特性分析結果可知, Au/polythiophene/RGO及Ag/polythiophene/RGO奈米複合材料,觸媒還原比率以及polythiophene聚合程度皆較高,因此具有較低的電阻值,而因觸媒的催化能力以及π-πstacking電荷載子快速傳遞的效應,Au/polythiophene/RGO以及Ag/polythiophene/RGO感測元件對NH3氣體也具有較為優異的感測特性,對NH3氣體有極快的反應速度並可適用低濃度 (200 ppb) 之檢測,如若有類似第二部分元件之可撓性,於氣體之檢測應用上便具有極大的發展潛力。Item 羧酸型共聚物:合成與對於砂漿中氧化石墨烯分散性的影響(2021) 許永; HSU, Yung本篇研究目標是合成一種羧酸系兩性離子型共聚物PDA(聚(N,N,N-二甲基((羧酸)丙烯醯氧基乙基)丁酸鈉-丙烯醯胺),作為共聚物用來改善氧化石墨烯在水泥基材料的分散性以提升試體的機械性質。先使用馬來酸酐和N,N-二甲基胺乙醇合成DME(二甲基胺乙基氧羰基丙烯酸),再與4-氯丁酸反應得到單體DCB(N,N,N-二甲基((羧酸)丙烯醯氧基乙基)丁酸鈉),最後使用過硫酸銨(APS)為起始劑,與不同比例丙烯醯胺(AM)經由自由基聚合反應合成得到兩性離子型共聚物PDA,PDA經由FTIR和1H-NMR光譜鑑定其結構,以GPC測定其分子量。另外,使用Hummers法將石墨烯氧化成氧化石墨烯(GO)。將PDA加入含氧化石墨烯的水溶液中,透過沉降體積、粒徑分布、界達電位與黏度實驗測試,探討PDA對於水溶液中GO的分散效果。測試結果顯示,在人工孔隙溶液中共聚物對於GO的沉降時間隨著AM/DCB比例的增加呈現先增後減的趨勢,PDA在AM/DCB=4時有最長的沉降時間;另外,GO的沉降時間隨著PDA分子量的上升或添加量的增加而增長,因此PDA41添加量為20 wt%時,GO的沉降時間為最長達65小時,此時溶液的黏度為最低(2.88 mPa‧s),溶液中GO的D50粒徑為最小、負界達電位為最大,分別為287 nm和-28.2 mV。因此在所合成的共聚物中PDA41有最好的分散效果。將PDA41加入含氧化石墨烯的水泥砂漿中,測試砂漿試體的抗壓強度與抗彎強度。結果顯示,添加20 wt%的PDA41與0.05 wt%的GO的水泥砂漿試體,在28天的抗壓強度為34.7 MPa,抗彎強度為6.73 MPa,與未添加共聚物的控制組相比提升了57%與99%。Item Nanoscale Investigation of the Mechanical and Electrical Properties of Polyaniline/Graphene Oxide Composite thin Films Fabricated by Physical Mixture Method(2020) 龍友翰; Jan Sebastian Dominic RodriguezN/AItem 中孔洞複合材料應用於電化學與拉曼感測器(2020) 李宜蓁; Lee, Yi-Chen本研究以類史托伯方法 (Stöber method) 藉由沸石晶種與界面活性劑在40度下自組裝形成中孔洞沸石奈米粒子 (MZNs)。這種以沸石為組成的奈米粒子具有高結晶性所產生之微孔性質,同時具備耐高溫及水氣之性質。MZNs具有高比表面積 (SBET > 800 m2/g) 與大孔徑 (~5 nm)能同時作為硬模板,用於限制銀奈米粒子之生長能有效作為表面拉曼增強 (SERS) 的基材,將所合成的中孔洞奈米銀複合材料 (Ag@MZNs) 負載到晶片上製成簡易型SERS感測晶片,能夠有效進行10-1 M可多普洛菲 (Ketoprofen) 等濫用藥物之檢測。 本研究另一個材料為合成中孔洞氧化石墨烯奈米粒子 (MGNs),此材料負載於高比表面積 (SBET > 800 m2/g) 之MZNs上,經由高溫乙烯處理石墨烯化,表面沉積類氧化石墨烯 (GO) 使其具有半導體特性,可浸塗於網印碳電極 (SPCE) 上進行電化學感測10 mM易氧化之人體精神分子,成為多巴胺電化學檢測時的理想選擇,透過修飾MGNs增強電極的靈敏度,讓MGNs@SPCE能有效應用於檢測微量多巴胺。Item 中孔洞沸石奈米粒子之鋰修飾以及石墨化之合成、鑑定及應用(2019) 張云柔; Chang, Yun-Jou本實驗室研發之自組裝合成法,可生成具有中孔及微孔洞結構的沸石奈米粒子。其高比表面積(800-900 m2/g)、規則中孔洞(5-6 nm)、高結晶性所產生之微孔的性質(< 1 nm),可有效提高其水熱穩定性,並應用於空間限制的載體以及催化等用途。透過有機鋰試劑修飾過程,可使奈米粒子具有捕捉二氧化碳的能力,所產生的碳酸鋰被有效限制於在中孔洞內,並達到循環利用的效果。 透過一步驟的化學氣相沉積反應,並以乙烯氣體做為碳源、直接裂解於沸石表面上,生成單層及數層之氧化石墨烯並維持原中孔洞形貌。經由拉曼光譜、X光光電子能譜、螢光光譜、紫外光-可見光吸收光譜、X光粉末繞射等鑑定,證實其組成結構為中孔洞氧化石墨烯-沸石複合奈米粒子。改質後的奈米粒子,表面可大量吸附有機染料及金屬離子,氧化石墨烯中的自由基並可誘發類芬頓反應,以有效催化有機物之分解。Item 硫酸對氧化石墨烯結構的影響(2012) 柴世濂本研究分為(一)不同的硫酸濃度對GO 進行反應與(二)稀硫酸濃 度0.6M 對GO 進行不同的反應時間。 利用粉末X 光繞射儀、拉曼散射儀、X 光光電子能譜儀和四點 探針等儀器鑑定,對其材料進行分析。結構上,根據拉曼散射的D band 和G band 之比值可以得知材料的石墨化程度。隨著硫酸濃度增加至 18M,ID/IG 比值會從2.17 下降至1.46,表示脫水還原形成石墨烯。 然而,在稀硫酸0.6M 反應1.5 小時,GO 結構會進行開環,ID/IG 比值 從2.17 上升至2.89,表面缺陷增加;24 小時則會進行部份脫水還原, ID/IG 比值從2.17 下降至1.71。電性上,隨著硫酸濃度的提升,導電 率從1.67×10-3S/m 提升至1.40×102S/m,由於高濃度的硫酸對GO 進 行脫水反應,使原本GO 表面的含氧官能基部分脫去,導電性因此變 高;然而0.6M 稀硫酸對GO 反應時間的增加,導電率從1.67×10-3S/m 提升至5.73×10-2S/m。 此研究是硫酸對GO 的時間和濃度影響,因此結果可提供以環 保的方式製備石墨烯以及GO 的結構修飾,作為重要的參考價值。Item 石墨烯與氧化石墨烯的製備與鑑定(2011) 韋峻文; Chun Wen Wei第一部分: 我們利用X光光電子能譜與粉末X光繞射光譜觀察石墨材料在氧化製程中的變化,過錳酸鉀會破壞石墨結晶中的雙鍵而產生含氧的官能基,當使用超聲波震盪時,含氧官能基彼此會產生靜電斥力,而達到石墨結構層與層之間的分離。從XPS圖譜可以看出,碳的訊號會因為氧化造成導電度下降而往高能量飄移,氧化所造成的官能基變化也可以從碳的XPS圖譜得知。根據文獻,碳的訊號會由碳材料及3種鍵結在碳材料上的含氧官能基所貢獻,分別有不同的能量。而X光粉末繞射圖譜也可發現石墨(002)晶面的訊號會隨氧化時間而往低角度飄移。分析以上兩種光譜,我們可以知道碳材料的結構變化與氧化程度。 由上述實驗所得到的結果,我們結合氧化時間為6小時、超聲波震盪1小時的兩道製程條件製備氧化石墨烯。並利用原子力顯微鏡等儀器做鑑定,證明我們所設計的製程條件可以製備出低層數、分散均勻(在水中)的氧化石墨烯。 第二部分: 我們進一步以有機修飾或是還原劑還原的方式改變氧化石墨烯的特性,並以儀器做鑑定。從各種鑑定結果我們發現,石墨烯氧化物的特性會因為官能基改變或是還原後而有不同的性質。Item 兩性分散劑的合成以及對於氧化石墨烯砂漿性質的影響(2019) 葛敬; Ko, Ching本論文研究目的在於合成一種兩性離子型磺酸系分散劑來改善氧化石墨烯在水泥基材料中的分散性並提升漿體的機械性質。使用甲基丙烯酸二甲基丙基磺酸胺乙酯 (N-(3-sulfopropyl)-N- methacroyloxyethyl-N,N-dimethyl-ammonium betaine)與丙烯醯胺(Acrylamide)為單體,起始劑為Benzoyl peroxide,經由自由基聚合反應得到分散劑Poly(sulfobetaine-co-acryl amide)(PSA),化學結構經由FT-IR和1H-NMR光譜鑑定,以GPC測量聚合物的分子量。石墨烯則是經由Hummers法氧化成氧化石墨烯,化學結構再經由FT-IR、RAMAN、SEM觀察其結構變化。 經由沉降體積、粒徑分布、界達電位和流變性質實驗結果顯示,添加PSA42 (Mw = 5.4×105)在氧化石墨烯人工孔隙溶液中的分散效果優於其他分子量之聚合物,因PSA42於氧化石墨烯表面有較小的粒徑、較高的界達電位、較低的黏度以及在水泥砂漿中添加10wt% PSA42和0.05 wt% GOA的28天抗壓強度為32.5MPa、抗彎強度為7.1MPa,與控制組相比能分別提升84%、97%;最後經由XRD和DSC實驗則觀察到在水泥漿中添加GO能有效加速和增加前期水化產物的形成。Item 以中孔洞沸石負載高密度銀銅奈米粒子之合成、鑑定及應用(2018) 陳郁霖; Chen, Yu-Lin本研究利用介面活性劑自組裝行為形成微胞,再以沸石晶種共聚 形成具中孔洞形貌的中孔沸石奈米粒子(MZNs)。我們以MZNs 作 為基材,利用其中孔洞之空間侷限性,合成具固定尺寸之銀及銅奈米 粒子,並進一步以此金屬觸媒催化生長硫化鋅奈米線以及氧化石墨烯。 藉由配位基置換對奈米粒子進行表面改質,利用靜電力相吸的原理讓 金屬錯離子附載在中孔洞沸石材料上。我們經由電子顯微鏡、氣體等 溫吸脫附和X 光繞射光譜,對孔洞結構及奈米粒大小進行分析鑑定, 接續以Solution-Solid-Solid(SSS)法催化生長硫化鋅奈米線。銦錫氧 化物上生長中孔洞垂直沸石薄膜後,使用電化學方法還原金屬在中孔 洞內,合成出具有表面電漿共振效應的奈米金屬陣列,並用於發展具 表面增強拉曼技術之新穎奈米材料。