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 以多尺度計算化學方法理解孔洞材料:以基於MOF-253的催化劑為例(2024) 謝孟錡; HSIEH, Meng-Chi由於大氣中二氧化碳濃度提升,造成全球性的環境變遷,並影響生物生存,目前科學界對於解決此問題具有急迫性。金屬有機骨架作為孔洞性材料,具有好的儲存氣體的能力。 MOF-253 經證實對於二氧化碳有很好的吸附能力。本論文旨在通過應用多尺度模擬來加速設計、篩選後修飾合成後的 MOF-253,作為催化中心。目的有四:設計空間尺度由下到上的篩選策略、設計時間尺度由上到下的篩選策略、設計適用於金屬有機骨架材料的模型、推測在此類材料上的反應路徑。第一章詳細敘述本研究的研究背景、動機與架構。第二章說明實驗方法以及用於模擬實驗的理論。第三章說明空間尺度由下到上的篩選模式的實驗設計與研究結果。第四章說明時間尺度由上到下的篩選模式的實驗設計與研究結果。第五章總結本研究的成果並說明未來的展望。透過本研究,提出了三個可行的單金屬反應中心作為活化的催化劑,並且提出了另一種可能的金屬雙體反應中心形式可以做為催化中心。同時,也說明了對應這些催化中心的反應機制。此外,也提出了在金屬有機骨架材料中,連接體旋轉的影響因素與帶來的影響。期許本研究能對於孔洞材料的相關研究發展有所助益。Item 以理論計算探討:I.氮氧化物在鎳(111)表面的反應機構II.一氧化氮在鎳-鉑雙金屬的分解反應III.二氧化碳在碳化鎢與碳化鎢-鈷合金表面反應探討(2012) 吳亘曜; Wu, shiuan-yau摘 要 第一部分 :氮氧化物(NOx)在Ni(111)表面的反應機構之探討 利用空間週期性來探討不同的氮氧化物(包含NO、NO2和N2O)在Ni(111)表面的反應機構,進一步討論到不同的覆蓋率下可能的變化。其中,在覆蓋率小的情況下,吸附的分子無論是NO、NO2和N2O都會完全分解成吸附態的N和O原子,而克服了2.34 eV的活化能之後,表面的N原子會再結合成N2分子從表面脫附。但是當覆蓋率不斷的提升之後,還沒有完全分解的NO和表面的N 原子會進行再結合,在高覆蓋率的情況下,N2O可能會進行脫附或者進一步斷N-O鍵形成N2分子。而在高覆蓋率的情況下會有N2O的副產物也可以從實驗的觀察得到證實。 第二部分: 一氧化氮(NO)在鎳-鉑雙金屬表面分解反應的探討 利用空間週期性來探討一氧化氮在Ni-Pt雙金屬表面的吸附與分解反應。其中,我們利用到的Ni-Pt雙金屬表面有: xNi@Pt(111), NixPt4-x(111), 和(4–x)Pt@Ni(111) ( x = 0~4)。 在所有的雙金屬表面當中,NO傾向被吸附在表面上有較多Ni原子的位置,而吸附能會隨著表面上Ni原子的數量增加而上升。另外,在我們所探討的所有雙金屬組成當中,當出現了表層的組成相同而內層不同的情況下,依不同的內層,NO分子吸附能的順序依次為xNi@Pt(111) > NixPt4-x(111) > (4 – x) Pt@Ni(111)表面,而NO斷鍵所需的活化能則剛好相反,換言之,在我們所有的表面當中,吸附能越大,斷NO鍵所需要的能障就越小。另外,我們也利用了局部電子態密度的分析來探討不同內層組成所造成雙金屬效益的原因。 第三部分:二氧化碳在碳化鎢WC(0001)和碳化鎢-鈷合金WC-Co表面反應探討 利用空間週期性探討二氧化碳在碳化鎢(0001)和碳化鎢-鈷合金表面的吸附。並進一步探討在不同鎢鈷比例的情況下,二氧化碳分解與氫化的趨勢。其中,碳化鎢(0001)表面有明顯的局域化現象,而當表面的組成結構改變,伴隨鈷原子的比例增加,會改變表面的局域化情形,進一步影響到吸附與反應的趨勢。而當鈷的覆蓋率為0.25ML的情況下,二氧化碳在WC-Co(0.25ML)有最佳的吸附能,而當鈷的覆蓋率增加到0.50ML,二氧化碳的吸附能雖然略減,但在該表面有最小的分解活化能。而氫化反應的活化能則是隨著表面鈷原子的比例增加而遞減,顯示鈷原子對氫化反應的幫助。而在這個部分,我們利用了電子局域化函數分析來探討表面局域化情況對二氧化碳催化反應的影響。Item 微粒體甲烷單氧化酵素之結構與功能性之模型三核銅金屬簇化物之研究(IV)(2012) 游小嬋; You, Siao-Chan在先前的研究中,我們已經發展出配位基7-Dipy能與三當量的[CuI(CH3CN)4](BF4)配位形成三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。且室溫、常壓下,此三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水可以有效催化氧化環己烷 (C6H12) 的碳氫鍵 (C-H鍵能為99.3 kcal/mol) 生成環己醇 (C6H12O) 和環己酮 (C6H10O)。而三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 通入氧氣或兩當量的雙氧水可得穩定的三核銅金屬含氧簇離子化合物[CuIICuII(µ-O)CuII(7-Dipy)](BF4)2 (2)。 在我的研究中,藉由另外的實驗方法得到的400 MHz 1H-NMR 和ESI-MS光譜,再次證實7-Dipy加入三當量的[CuI(CH3CN)4](BF4)確實會生成三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1)。此外,在相同的催化條件下,我們發現單銅金屬離子化合物[CuI(CH3CN)4](BF4) (7)、[CuI(bispicolylamine)](BF4) (8)相較三核銅金屬簇離子化合物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 對於環己烷的催化反應活性並不高。而對催化反應的時間追蹤做研究,發現三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在反應45分鐘時H2O2會被耗盡。 為了更進一步了解三核銅簇化物在進行催化反應時,是屬於自由基反應還是經由單氧直接嵌入的一步反應機構,因此我們設計一系列的實驗,利用對自由基相當靈敏的DMPO去檢測三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 在加入雙氧水進行催化反應時,是否有自由基反應的參與。EPR光譜圖顯示,可以排除三核銅簇化物[CuICuICuI(7-Dipy)](BF4) (1) 加入雙氧水進行催化反應時是屬於自由基反應機構。 關鍵字:微粒體甲烷單氧化酵素、三核銅金屬簇化物、催化Item 微粒體甲烷單氧化酵素之模型 三核銅金屬簇化物之研究(2012) 蘇柏瑋在本篇研究中,我們合成出全新的含氮配位基7-ImPy以及7-MeImPy,能與一價銅離子[CuI(CH3CN)4](BF4)配位形成三核銅簇離子化合物[CuICuICuI(7-ImPy)](BF4) 和 [CuICuICuI(7-MeImPy)](BF4),本實驗室先前的研究7-Dipy類似,可以抓三個銅金屬,形成三核銅金屬簇離子化合物。這類三核銅簇離子化合物能被氧氣活化形成di(-oxo)的高活性中間物,經由三核銅簇錯化合物的自旋態調控,使其中之一的氧原子被活化至1D狀態,此時會釋放出其中一個架橋氧原子,直接崁入烷類分子的C-H中,可將烷類轉化為醇類。在本篇研究中成功利用[CuICuICuI(7-ImPy)](BF4)和[CuICuICuI(7-MeImPy)](BF4)兩種系統在常溫常壓下將cyclohexane (C-H鍵能為99.3 kcal/mol) 氧化生成cyclohexanol和cyclohexanone,其中催化變得有選擇性,以cyclohexanol為主要產物。 在本研究中使用微波合成取代了傳統的加熱方式,微波可以直接進行內部加熱,使合成含氮配位基的時間可以大幅度的縮短,並且增加純度,減少副產物的產生。 為了證明我們的三核銅簇離子化合物的反應機構是經由單氧直接嵌入(O-atom insertion)而不是經由自由基反應,在三核銅簇離子化合物[CuICuICuI(7-ImPy)](BF4) 和 [CuICuICuI(7-MeImPy)](BF4)的催化反應過程中加入對自由基極為靈敏的化合物5,5-Dimethyl-Pyrroline-N-Oxide (DMPO),做室溫EPR的測試,發現在整個催化反應的過程中,並沒有偵測到DMPO與自由基反應的EPR訊號,由此證明了此三核銅簇離子化合物的反應機構是經由單氧直接嵌入而非自由基的反應路徑。Item 改變催化劑和外在環境條件在乙醇蒸氣重組反應中的研究(2012) 廖翊凱; Yi-Kai Liao在這篇論文中,我們系統性的研究十種不同的金屬分別是Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt 和 Au),將其附著在三種不同的金屬氧化物支撐物上來進行氧化乙醇蒸氣重組反應,這三種氧化物支撐物分別是氧化鋁(Al2O3)、氧化鈰(CeO2)和參雜了Dy的鈣鈦礦結構BaZrO3。在各種不同的外界環境條件下來進行反應,像是以不同的乙醇和水的比例、氧氣的改變,能更清楚的了解整個乙醇蒸氣重組反應中,不同催化劑的性能以及它們在反應中可以帶來什麼影響,也可以研究其反應機構。在催化劑的效用中,我們發現Cu、Ag、Au可以幫助乙醇的氧化,而Co、Ni、Pd和Pt可以幫乙醇脫水,另外Ru、Rh、Ir則有助於C-C的斷裂,並產生主要是CO和CO2的副產物,同時也可以有最高的氫氣產率。在支撐物方面,經過煮沸的氧化鋁因為有較高的比表面積和更多的孔洞跟未煮沸的氧化鋁相較起來有更好的反應性在乙重蒸氣重組反應中。CeO2和Dy參雜的BaZrO3則是有較多的氧空穴,讓它們在反應中有較好的反應性。在催化條件下,較高的氧氣和水的乙醇比例可以提高氫氣產率,由於氧氣和水可以幫作在反應中的氧化劑,幫忙乙醇的氧化幫助C-C的鍵斷裂。再者,這被當成氧化劑的兩者會因為CeO2和BZDy中的氧空穴的存在,更加強了它們的交互作用,在反應中會有更好的表現。Item 使用理論計算探討Tricarbonyl 8-oxyquinoline Rhenium(I)在利用光或電催化下還原CO2形成甲醇的循環(2013) 傅弼豊[Re(8-OQN)(CO)3(CH3CN)]為目前新合出的一系列催化劑,利用8-oxyquinoline(8-OQN)取代了使用已久的2,2-Bipyridine(Bpy)配體,希望藉此改進催化的效果。在實驗的部分,還無法明確得知其還原二氧化碳之產物,但目前來說還原出甲醇是現今努力的目標,因此本篇論文便針對其可能催化還原出甲醇之循環,分別作光催化與電催化的探討,找出其最佳的催化循環,希望藉此給與實驗做參考,改進並且設計出最適當的反應條件。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。Item 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。