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 新穎能源材料之第一原理計算模擬與研究(2020) 劉啟佑; Liu, Chi-You為了降低石化燃料的使用,科學家們一直致力於尋找乾淨的替代能源,希望在未來使用液態或固態形式的能源。與此同時,也需要發展安全又具經濟效益的新能源儲存系統,最終的目標是尋找具有高能源密度、容易儲存及運輸、並且更為永續的能源。在本論文當中使用了計算化學的方法,在奈米至原子尺度下,藉由電子結構、催化性質和化學反應機構的探討,來改善並發展新的能源材料。總和來說,我們基於第一原理方法的理論模擬,針對不同能源與能源儲存系統的材料表面進行研究,包含了直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell, DMFC)、鋰硫(Li-S)電池、質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)和費托合成反應(Fischer-Tropsch synthesis, FTS)等領域。各部分詳細的介紹如下: 第一部份:直接甲醇燃料電池內一氧化碳移除反應在鉑修飾多氧陽極表面(Pt2/o-MO2(110), M = Ru及Ir)的研究 在第三章中將針對液態的直接甲醇燃料電池(DMFC)進行討論。DMFC反應過程中產生的CO或其他碳氫化合物(CmHn)很容易就毒化Pt金屬陽極表面。我們研究CO及H2O於乾淨Pt2/MO2(110)以及多氧Pt2/o-MO2(110)表面(M = Ru及Ir)上的吸附現象。結果顯示使用多氧的表面能夠有效的降低CO及H2O的吸附能,並且讓CO與表面的OH基團以更低的活化能進行類水氣轉換(WGS-like)反應,減緩CO毒化的現象。 第二部分:鋰硫電池中含鋰多硫化物在石墨稀基底材料上的吸附結構研究分析 第四章我們則針對鋰硫(Li-S)二次電池進行研究。近期的文獻顯示,若在陰陽極中間放置以碳為基底的材料做為中間層(interlayer),能夠有效改善含鋰多硫化物(LiPSs)的飛梭現象並增加電池壽命。我們建構了不同結構形式的異原子(N或S)取代的石墨稀表面,發現當使用含鋰的N及S共同取代石墨稀表面做為鋰硫電池中間層時,能夠讓LiPSs以完整吸附機制吸附,有效的減緩飛梭現象。 第三部分:Pt/v-Tin+1CnT2二維材料表面邊界性質對氧氣還原反應催化的影響 第五章中探討了質子交換膜燃料電池(PEMFC)的陰極氧氣還原反應(ORR),當使用二維Tin+1CnT2與Pt/v-Tin+1CnT2 (n = 1 ~ 3, T = O and/or F)的材料時,不同取代基對於ORR反應過電壓η的影響。我們的結果顯示F的取代基在表面上鍵結較弱且較不穩定,與實驗上觀察到脫附或被取代的現象符合。但由於F取代基在表面上時,內層的Ti與C具有較高的共價性,有利於吸附物吸附並反應,導致使用含有F取代基的表面進行ORR時可以得到較低的過電壓η。 第四部份:利用雙金屬中心的CNT基底材料促進費托合成中C-C成鍵反應 在費托合成(FTS)中,C-C成鍵的效率是最重要的因素。在第六章中我們模擬了雙金屬中心的M1M2/N6h-CNT (M = Fe, Co, and Mn)表面,分析其電子結構及催化活性,並考慮了三種能夠增長碳鏈長度的C-C成鍵反應:[CO + CH3]、[CO + CH2]和[CH2 + CH2]。結果顯示,CH2單體在2Co/N6h和CoMn/N6h表面上能經由一個近乎為零的活化能,順利進行C-C成鍵反應。整體來說,我們分析了雙金屬中心的系統對於在FTS中增加CO轉換率並降低C1產物比例的可行性。Item 對奈米碳管電極間的分子結之第一原理研究(2009) 李欣翰; Lee, Hsin-Han早期傳統上探討穿透係數Transmission(電子在特定能量的傳輸效應)或電導率Conductivity(電子在整體能量的傳輸效應)大多針對以電極夾接塊材元件的系統是以電極間夾入塊材的系統,整體上,元件及電極仍維持晶體的性質。1980年代之後因製成技術的突破,而漸漸發展出奈米元件,或甚至是電極間以單一分子結 (single molecule junction銜接的系統),這探討這些尺度小於電子平均自由徑的元件系統,必須考慮量子傳輸(quantum transport)的模型。 由於實驗上的方便,起初研究單一分子結多是以金屬當做電極。在之後有實驗做出以奈米碳管為電極的single molecule junction [1,2],這樣的系統有別於在許多junction裡,金屬與分子間定義不清的鍵結,及不確定的幾何形狀,奈米碳管與分子間形成共價鍵的系統比較牢固,加上奈米碳管特有的quasi 1-dimension特性,使之更有研究價值。近年來對分子電子元件中量子傳輸的探討,是很受注目的課題, 本篇論文使用第一原理計算(ab-initio)探討奈米碳管電極間分子結的穿透係數,我們使用以密度泛函理論DFT(Density Function Theory)為架構的McDCAL(McGill-Device-CALculator)進行一系列的模擬分析。我們計算在chiral vector 為 (8,8) 的單層奈米碳管SWCNT(single wall Carbon Nano-Tube)之間以兩個等長的聚烯(polyene)分子構成的分子,然後和Tight binding理論計算的結果進行比對。而穿透係數是重要的基本特性之一,對分子電子元件的電流能有所了解,可用於I-V curve 的計算。Item 奈米碳管分子結間電子傳輸與干涉現象之第一原理研究(2013) 陳凱榆本篇論文以奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)與分子結構所形成的一維系統為題,利用第一原理(Ab initio)方法計算其傳輸性質;依據分子結構的不同,發現會有干涉現象的產生。藉由與緊束縛模型(Tight Binding model)所得的結果相互比對,透過傳輸係數(Transmission Coefficients)及態密度(Density of States, DOS)的分析,可歸納出影響類似此種結構之奈米電子元件的電子傳輸性質為何,並且進一步地了解量子傳輸理論(Quantum Transport Theory)。Item 奈米碳管電極之間分子結的電子傳輸研究(2017) 林明寬; Lin, Ming-Kuan本篇論文以斜切的armchair奈米碳管(carbon nanotube)作為分子結(molecular junction)中的電極。使用緊密束縛模型(tight-binding model)計算斜切的armchair奈米碳管、直切的armchair奈米碳管和直切的zigzag奈米碳管從表面到內部的局域態密度(local density of states)。直切的armchair奈米碳管和直切的zigzag奈米碳管的每一層局域態密度分別顯示三層循環的週期性振盪和局域的邊緣態(edge state)。斜切的armchair奈米碳管不只具有週期性振盪,也具有局域的邊緣態。在局域態密度的研究之後,我們把一條或兩條多烯(polyene)接在兩個斜切的armchair奈米碳管之間作為分子結。使用緊密束縛模型和第一原理(ab initio)方法研究分子結的電子傳輸性質。One-polyene分子結在費米能量(Fermi energy)的傳輸(transmission)數值接近1,所以它恢復了一條電子傳輸通道。Two-polyene分子結在費米能量的傳輸數值在0和2之間變化,所以它顯示了干涉效應。儘管緊密束縛模型和第一原理的結果大致相同,但是從這兩種方法得到的結果還是有不一致之處。藉由調整緊密束縛模型中參數的大小,研究分子結的傳輸性質如何變化。我們發現分子結的傳輸性質會受到來自於分子內的鍵結(intra-molecular bonding)強度、耦合(coupling)強度和on-site energy的影響。Item 除去氣體對於奈米碳管與水混和物之影響(2016) 陳駿仁; Chen, Chun-Jen疏水交互作用(hydrophobic interaction)被認為是非極性物質在水中會聚集的主要原因。已知水中的氣體是可以對該作用有增益的效果。若將疏水顆粒混合於水中,則除去氣體的混合物較富含空氣的混合物有較長的生命期。本研究以單層及多層奈米碳管的水混合物為材料,實驗除去氣體對於碳管與水混合物的影響。碳管於水中的生命期與所形成之結構是以攝影與動態光散射進行觀測。實驗中發現:除去氣體後,單層碳管於水中聚集的速率較未除氣的混合物中慢,且形成較緻密的碳管團塊。多曾碳管若未進行除氣,則碳管於水中形成類凝膠(gel-like)結構;此結構在除去氣體的碳管與水混合物中較未除氣者不明顯。實驗中所觀察到,除去氣體對單層與多層碳管的水混合物所產生之影響,是可以被石墨基板上所發現的表面奈米氣泡(surface nanobubble)解釋的。Item 動態光散射在氣體對亞微米尺度膠體分散體穩定性的影響的研究(2015) 鄭璋駿; Jeng, Jang-Jiunn我們研究氣體對膠體分散體問定性的影響。分別使用油(dodecane and squalane)和多層奈米碳管作為分散向,使其分散在水或是去氣體水中,樣品中不加入界面活性劑。利用動態光散射溶液中的油滴或是碳管團塊的大小進行量測,以觀察膠體溶液的穩定度。我們架設了一台動態光散射儀,並使用直徑38nm、500nm、1μm的聚苯乙烯小球進行校正。從指數函數與累積量展開擬合可以得到與樣品相符合的粒徑大小。但CONTIN的分析結果,無法確定可以得到愈樣品相符合的粒徑分布。在使用油進行的無界面活性劑乳膠溶液的實驗中,我們發現與水相比在去起體水中,油可以較容易的形成很小的油滴並可以較穩定的分散在水中,並在完成的乳膠溶液中加入氣體,對樣品的穩定性影響不大。在使用多層奈米碳管的實驗中,我們發現使用去起體水可以做出至少能穩定存在半個月的奈米碳管膠體分散體;而若是使奈米碳管膠體分散體與空氣劇烈混合,則會有明顯的聚合、沉澱現象。Item 含胺基取代聯吡啶釕錯合物修飾奈米碳管之研究與應用(2013) 張庭瑜; Ting Yu Chang有鑒於[Ru(bpy)3]2+衍生物具有獨特光電化學性質以及5-胺基菲羅啉(簡稱NH2-phen)可進行氧化聚合反應,本論文便以NH2-phen與[Ru(bpy)2]Cl2製備[Ru(bpy)2(NH2-phen)]2+,再藉由化學還原修飾法將其修飾於奈米碳管(簡稱MWNT )表面,以探討其應用潛力。根據螢光圖譜分析、原子力顯微術以及穿隧電子顯微術影像,我們證實 [Ru(bpy)2(NH2-phen)]2+可經由化學還原修飾法吸附於碳管表面,而吸附速率與[Ru(bpy)2(N2-phen)]2+經偶氮化後脫氮的反應速率有關,並與反應條件,如時間、溫度、維生素C以及亞硝酸鈉的濃度有關。本論文也以含[Ru(bpy)2(phen-NH2)]2+的修飾碳管微粒作為光敏劑,藉以誘發Thionine chloride進行氧化聚合反應。實驗結果顯示此修飾微粒可在UV光照射下加速Thionine chloride氧化聚合。此外,我們也將該奈米碳管製成修飾電極,藉以檢測葡萄糖、維生素C、尿酸以及NADH,發現修飾有[Ru(bpy)2(NH2-phen)]2+的碳管比未修飾的碳管具有較高靈敏度,可知[Ru(bpy)2(NH2-phen)]2+具有生化感測的應用潛力。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 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 以化學表面修飾法增強局部表面電漿共振感測器對氣體之反應(2015) 邱瑋懿; Chiu, Wei-I本研究主要針對在奈米金薄膜外修飾其他物質,利用局部表面電漿共振(localized surface plasmon resonance : LSPR)原理來觀察其對感測器之改善,實驗分成三個部分,第一部分,以奈米碳管與奈米金之間形成多層結構,隨著層數提高,感測器所需要之玻璃片數也大幅減少,且提高了對氣體感測的靈敏度,增加了在LSPR感測器構型上更豐富的多變性。第二部分,以離子溶液塗佈於奈米金薄膜外,利用離子溶液本身良好的穩定性,以及對有機氣體的吸附能力,提高了對非極性氣體分子的感測能力,也提高了對氣體的感測訊號值。第三部分,以吸水性高分子與不同鹽類混和,製作濕度感測器,隨著鹽類本身具有不同的吸水性質,提高了感測器在不同濕度的靈敏度,最後將多種鹽類混和,達到製成感測範圍較廣的濕度感測器。