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 理論計算在化學上的應用 : 有機動力學分割反應與電極表面的離子液體的電腦模擬(2021) 黃永宜; Huang, Yung-Yi本篇論文分為兩個部分,第一部分我們主要針對 Kinetic Resolution reaction (KR-reaction) 的部分及有機催化反應循環,利用理論計算進行深入的探討。眾所 皆知的事實是實驗室合成的藥物多為外消旋混合物,而市售的藥品也經常就以此種型態售出;但這樣的藥物可能存在著一些不必要的副作用以及降低藥效的可能。因此近年來許多人在藥物的分離上有所著墨,但在進行實驗的過程我們經常無法看到微觀世界中的分子行為以及藥物分離機制。本論文的第一部分將深入探討整個有機催化反應循環及 KR-reaction 的每一個步驟之反應機構,並透過理論模擬的方式補足實驗上所無法看到的一些化學及物理現象。我們成功的在實驗中觀察到許多微觀世界中的催化反應,也進而提出及證實了合理之反應機構。第二部分則透過多尺度模擬探討固態電極表面及離子液體之間的離子傳導行為。隨著人類平均壽命的上升,我們更為重視生活的質量,此外全球暖化的影響,造成天氣日漸炎熱,使用電需求大大上升,在能源生產與儲存的技術上大受挑戰。其中電化學儲能技術被許多人提出來研究,電化學的電池儲能技術最重要的環節就是中間離子傳導的過程,而如何挑選電池中間的隔離膜成為重要的課題;部分研究已證實 兩 性 離 子 液 體 所 合 成 出 來 的 聚 合 兩 性 高 分 子 薄 膜 (amphiphilic polymer membrane)所包含帶部分正電的咪唑以及帶部分負電的磺酸根可以有效幫助離子傳導並提高電池穩定度。本研究想透過理論模擬探討電化學電池中隔離膜在離子傳導過程中扮演著甚麼樣重要的角色,也想比較不同的離子液體對離子傳導所造成的影響。我們挑選了正負電荷完全分離與正負電荷於同一條碳鏈的結構,深入探討其對離子傳導的影響,並透過多尺度的理論模擬從分子古典力學到量子力學研究有關離子傳導行為的變化。最終研究結果顯示一維的水分布結構將有效幫助離子傳導之行為進而提高離子傳導率。Item 硒化銦-石墨烯異質結構電導的第一原理研究(2019) 蔡晴羽; Cai, Sylvia Qingyu這項研究是針對一系列由單層硒化銦(SL-InSe)和單層石墨烯(SLG)組成的凡德瓦異質結構所進行的第一原理研究。研究過程中,依照硒化銦與石墨烯層間不匹配(Mismatch)的邊界形貌將一系列異質結構量子元件劃分成兩類,以探究其性質差異並進行計算。 本研究關注的是硒化銦-石墨烯異質結構的量子傳輸特性,所有計算模擬的理論基礎結合了密度泛函理論(DFT)與Keldysh非平衡格林函數(NEGF)理論。進階的量子傳輸計算由Nanodcal完成,Nanodcal是一種基於NEGF-DFT理論方法的計算工具,本研究中使用的所有建模與計算工具包括:VASP,VESTA,Device Studio和Nanodcal。研究結果呈現出所選系列中硒化銦-石墨烯異質結構的量子傳輸趨勢。Item 理論計算探討下列反應機構: 1.大氣中含氮自由基的反應 2.Rh/CeO2(111)表面之乙醇脫氫反應(2006) 陳輝龍; Hui-Lung Chen本論文分為兩大主題: 一. 探討大氣中含氮的自由基。從石化燃料燃燒產生的氮氧化物由於它們具有毒性,是大氣污染物,所以引起大眾的關注。我們本篇研究的目的是去尋找一個反應物,可使NO轉變成無污染之氣體–N2,並且有著很低的反應能障。我們藉由理論計算的方法來探討含氮自由基的可能反應機制。共分為兩個單元進行討論: 第一部分: 探討NO與imine,silanimine以及其取代基的反應機制。關於HN=XH2 (X=C, Si) 和NO的反應機制係利用QCISD(T) /6-311++G**//B3LYP/6-311++G**的計算方法來探討。結果顯示HN=CH2 + NO之最可行的反應路徑是生成CH2N2 + OH之產物,且其反應能障為44.41 kcal/mol ;然而反應HN=SiH2 + NO之最可行的反應路徑卻變成以產生H2SiOH + N2為主,此過程可直接將NO轉變為穩定且無毒害的氮氣(N2)分子,且該反應的rate-determining step能障是18.90 kcal/mol。但若我們改用取代基N-methyl substituted silanimine (CH3N=SiH2)來進行反應,其能障將會由18.90降為14.42 kcal/mol。在許多會產生NO的燃燒反應系統,如果我們找到一個適當的反應物,能輕易轉換有毒的NO變成對大自然無害的物質N2,此結果將是相當有利的。而關於imine以及silanimine與NO反應時,所得到各種不同的結果,也將於此部分提供可能的解釋。 第二部分: 量子計算方法探討H2CN、H2SiN 和NO的反應機制。 關於H2XN (X=C, Si) 和NO的反應機制,係利用CCSD(T) /aug-cc-PVTZ//B3LYP/6-31++G**的計算層級來做探討。而結果發現反應H2CN + NO有兩個最可行的反應路徑,並且分別生成HCN +HNO (P1)以及H2CO + N2 (P3);而兩者能障也相當接近,分別為11.1和10.2 kcal/mol (係以反應初始物做基準)。倘若我們把反應物換成H2SiN + NO,則前述兩者的反應能障差異將變得相當大,且發現反應將變成更有利於形成H2SiO + N2 (P3s),倘若以反應初始物做為基準,該過程是完全沒有能障的。所以若在無能量的提供下,直接的還原NO並轉變成穩定且無毒害的氮氣(N2)分子將變成可能。由結果推論,在許多會產生NO的燃燒反應系統,H2SiN可能是一個有效的反應試劑去消除NO氣體。在此部分文章,關於H2CN以及H2SiN之反應的不同結果以及差異性的呈現,我們將提供可能的解釋。此外,我們也呈現反應之位能圖並作為比較。 二. Rh/CeO2(111)表面之乙醇脫氫反應。氫氣(H2),在目前來說是相當令人渴望的燃料,因為若把氫氣應用在內燃機引擎中,其燃燒產生的物質是完全沒有污染性的;此外,氫氣也可應用在H2/O2燃料電池的高效率發電方面,相當有價值。因此,對於乙醇在Rh/CeO2(111)表面之可能的分解反應機構,我們利用週期性的電子密度泛函數理論的計算方法來做討論。結果發現,乙醇若以該分子之氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面之Ce上,比起其他之表面原子而言(例如:Rh與O原子),將有著較高之吸附能。是故乙醇首先將會以該氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面之Ce上,而形成CH3CH2O(H)–Ce(a),再藉由接續的脫氫反應(斷O–H以及H2C–H),計算所得能障分別為12.00以及28.57 kcal/mol,之後形成一穩定六員環之中間物Rh–CH2CH2–Ce(a) (oxametallacycle)。此外,分別計算所脫附之氫原子在表面之不同原子上(Ce, Rh和O),發現氫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-碳上連斷兩個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)之產物,最後這些產物在高溫下再脫附而形成CH4(g) + H2(g) + CO(g)。Item 理論計算探討教(1)HFCO + nH2O(n=1,2)之反應機構(2)N-H鍵活化反應機構: Ni(0) + NH3 -> NiNH + H2(2008) 蔡武宏本論文分為三大主題: 第一部分: 理論計算探討HFCO + H2O 的反應機構 在ab initio MP2/6-311++G(d,p) 的理論計算層級下,討論HFCO + H2O 反應的可能反應機構,並對反應物、反應中間體、過渡態及產物進行全面性的幾何優選。考慮了三條可能的反應途徑: 催化反應、協同和逐步的水解反應機構。其中,以催化反應直接生成HF 和CO 所需的活化能障29.6 kcal/mol為最低,且其所成的產物複體在熱力學上較為穏定的。在水解機構方面,協同反應所需的活化能為33.0 kcal/mol,較逐步反應的活化能要低些。水解逐步反應所需的活化能為42.1 kcal/mol,為此一研究中活化能障最高者。 第二部分: 理論計算探討HFCO + 2H2O 的反應機構 採用ab initio MP2/6-311++G(d,p)研究了Formyl Fluoride 與二分子H2O在氣相中的反應機構。考慮了三條可能的反應途徑: 催化反應、協同和逐步的水解反應機構。計算結果表明氣相中催化反應是最優途徑,其所需的反應活化能為24.9 kcal/mol,且其所產生的產物複合物能量為位能圖中能量最低者。而在水解反應部分,反應中的一分子H2O為反應物,而另一H2O分子為催化劑,活化能則是逐步反應較協同反應為低,但二者並無明顯的差異,分別為29.7 kcal/mol與30.6 kcal/mol。 第三部分: 密度泛函理論計算探討N-H鍵活化: Ni (0) + NH3 à NiNH + H2的反應機構 在密度泛函B3PW91/6-311++(2d,2p)及 B3PW91/6-311++G(3df,2p)的理論基礎上,探討了三重態與單重態鎳原子與氨分子的反應。除了結構外,我們也利用Wiberg鍵級說明了反應路徑上各個中間體與過渡態的鍵結傾向。結果顯示,單重態和參重態的Ni與NH3反應產生NiNH及H2反應在熱力學上均屬於吸熱反應,其反應熱相對於反應物Ni + NH3分別是單重態的10.61 kcal/mol及參重態的36.99 kcal/mol。Item 理論化學之研究:1. 由氨基丙二腈生成甘胺酸之反應機制 2. 1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯進行共軛雙烯[四加二]環加成反應(Diels-Alder)時,位能曲面與分子軌域作用之關係(2006) 朱鴻舜本論文分為兩大主題:一、由氨基丙二腈生成甘胺酸之反應機制。甘胺酸是蛋白質結構中最小的胺基酸,實驗家透過化學演化(chemical evolution)反應,可以利用簡單的無機物分子,合成出包含甘胺酸在內的各種有機分子。此處,我們將研究從氨基丙二腈反應產生甘胺酸的各種反應機制,並且針對部分反應過程中,分子軌域的作用情況予以討論。本研究共分為兩個部分。 第一部分 利用ab initio計算方法,我們針對化學演化中,由氨基丙二腈(amino-malononitrile)到氨基乙腈(amino-acetonitrile)之各種可能的反應路徑加以考慮,並且根據反應物所擁有的各種活化位置,探討其分支反應及其反應機制。反應路徑上所有的駐留點(stationary point)均分別利用HF/6-311G(d,p)和MP2/6-311G(d,p)幾何優選,並利用counterpoise計算方法校正BSSE,以求得位能曲面上的相對能量。此處將主要的結論歸納如下:(i) 比較各種反應機制中所需要的活化能大小,可以確認化學演化之可能性。(ii) 起始物所選擇的反應方向可以利用前線軌域理論(frontier orbitals theory)加以分析,由於H2O HOMO的對稱特性,H2O傾向於和起始物的nitrile group進行反應。(iii) 反應起始物的nitrile group與H2O作用的活化能為49.00 kcal/mol,遠低於後續反應機制中所需之活化能,因此為本研究過程之速率決定步驟。當起始物之nitrile group與H2O作用後,所放出的能量即足以完成後續反應。(iv) Boys-Bernardi counterpoise計算顯示,所有在MP2層次下之BSSE能量修正值均高於HF計算結果。 第二部分 針對最簡單的胺基酸分子,glycine,在自然界中可能的生成過程,本研究利用ab initio分子軌域理論計算方法,討論由amino acetonitrile至glycine的多種反應機構及其分支反應。研究結果顯示,最可能的二種反應途徑,在MP2/6-311G**下,其速率決定步驟所需之活化能分別為46.11與52.38 kcal/mol。考慮water-assisted reaction時,僅需一個水分子的加入,即可使能障大幅降低至10.65與21.74 kcal/mol,顯示水分子的加入具有重要的作用。藉由NBO分析其中間產物與過渡狀態,發現反應過程中,分子內作用力將明顯影響反應物之幾何結構、穩定性與反應活化能。進行分子間反應時,前線軌域理論可以提供合理的解釋,從而判斷分支反應中最可能的反應路徑。 二、1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯進行共軛雙烯[四加二]環加成反應(Diels-Alder)時,位能曲面與分子軌域作用之關係。 利用B3LYP/6-311G**研究1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯的各種旋轉異構物,於Diels-Alder反應時可能產生的各種反應途徑與過渡狀態。由於1,3-丁二烯與1,4-二氮-1,3-丁二烯均可扮演diene或dienophile,因此將產生兩種反應途經相互競爭。研究結果顯示,1,3-丁二烯通常傾向於扮演diene的角色,此時HOMO-LUMO secondary interaction以及立體結構互斥作用將影響到反應的活化能。由於二分子相互靠近時,反應能障主要受到特定π軌域之間的互斥作用所影響,其餘各分子軌域之間的安定作用和排斥作用則將大致相抵。因此,當軌域的能量過於接近時,將導致互斥作用增加而能障提升。然而,若反應物MO間的能量間隙過大,幾何結構在反應過程需要大幅度扭轉變形以增加軌域間的重疊度,將導致活化能上升。Item 利用密度泛函理論計算二氧化碳還原反應在銅與銅合金上的反應機構(2018) 吳俊甫; Wu, Chun-Fu在本研究中,我們應用密度泛函理論計算研究了二氧化碳還原反應的機理,在具有前景的銅基材料催化劑中,該反應最常見的產物生成了甲醇。系統性的檢查發現,生成甲酸根 (HCOO) 和羧基(COOH) 是關鍵的兩個反應步驟。為了顯示結構效應,我們首先檢查Cu(100) 和Cu(111) 表面上的還原反應以揭示結構效應;此外,為了研究電子效應,我們還研究了在純銅、銅銀和銅金合金表面上的反應,其中銅表面25%的原子被其他元素原子替代。結構效應研究發現Cu(100) 表面上的中間體有比Cu(111) 表面更強的吸附能,誘發更多的放熱反應能量和更低的活化屏障,表示在鬆弛的Cu(100) 表面上具有更好的活性。電子效應結果表明,用銀和金取代表面銅可進一步降低能量,提高還原反應活性,而銀的取代稍好於金。在所有研究的表面上,甲酸根和羧基途徑中的速率決定步驟分別是HOCOH→COH + OH。最後,分析這些表面的狀態密度(DOS) 和相關的吸附情況,以揭示能量預測背後的化學反應。Item 產氫反應在單原子催化劑之反應機構探討(2019) 廖振成; Liao, Chen-Cheng陰極的產氫反應在傳統的二電子Volmer–Tafel–Heyrovský模型已被使用了數十年,在這些反應中,電化學脫氫的步驟包含了吸附態的氫、質子及電子,然而,從吸附態的氫到產生氫氣的過程並沒有被仔細描述,實驗上我們成功地合成了單原子鉑催化劑,發現了其在產氫反應上與鉑塊材有顯著的差異,因此我們透過理論計算模擬單原子鉑催化劑的產氫反應,並在計算的過程中發現了新的中間體,根據這些計算的結果,與動力學模型結合後,可以推導出電流及過電位的關係式,在這個關係式裡頭我們做了Tafel斜率的分析,透過推導的Tafel斜率與實驗的Tafel斜率比較,我們得到了很高的一致性。 根據在單原子鉑催化劑的例子,我們再次透過理論計算來預測不同單原子過度金屬催化劑在產氫反應的表現,並再次結合動力學模型,可以得到不同的反應機制,並推導出了不同金屬的Tafel斜率,以提供實驗針對產氫催化劑選擇的指引。