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 蜂窩狀整體式催化劑 Cordierite@MOFs 應用於二氧化碳環加成反應研究(2022) 廖智弘; Liao, Chin-Hung本論文旨在將金屬有機骨架材料塗布於蜂窩狀堇青石之催化劑載體,藉此製備整體式異相催化劑,應用於二氧化碳之環加成反應; 以整體式催化劑之形式相比於粉末型態催化劑,擁有提升催化劑在反 應後續處理之回收性及可重複利用性。本研究嘗試數種金屬有機骨架粉末,ZIF-67、PCN-222、PCN- 333(Al, Fe, Cr)、MIL-101 (Cr)、Al-TCPP、Al-TzDB、Al-TzDB-ZnPP 等,應用於 300 psi 的二氧化碳環加成反應。篩選出經由環加成反應 後,仍保有結晶性之 ZIF-67 及 Al-TCPP;並將兩者塗布於蜂窩狀堇 青石,後續成功合成出 Cordierite@ZIF-67 之金屬有機骨架複合材料, 將其用於二氧化碳還加成反應中。由實驗結果得知,相比於純 ZIF-67 粉末,Cordierite@ZIF-67 擁有較佳的轉化率(45 % v.s. 70 %) 及 TOF 值( 7 h-1 v.s. 90 h-1 )。且在環氧化物衍生物的催化中,也具有高度之催 化活性,擁有較高的轉換率(65 % - 89 %)。後續,將催化劑應用於 重複性測試中,在十次的循環催化實驗,平均轉換率仍保有 56 %。尤 其,此催化劑在後續回收上,並不需要複雜的分離動作,只需藉由簡 單溶劑清洗及乾燥,即可將其回收,可見其在工業領域中的發展潛力。Item 監測CO2/O2的濃度變化以探討製藍/建藍的最佳條件(2021) 王宥祈; Wang, Yu-Chi本研究以CO2/O2氣體感測器及圖像分析方法,探討馬藍植物(Strobilanthes cusia)進行藍染過程的變化。本研究取自陽明山上的馬藍葉進行實驗。結果發現,測量製藍過程中CO2和O2的濃度,可以用來評估靛藍產量的多寡;溫泉水的效果比其他水質更好且水溫為30度時,產量及色澤最佳,高於40度則效果遞減;製藍反應會先產生CO2後才開始消耗O2;馬藍葉摘下後會隨著放置時間增加而尿藍素會逐漸流失;新葉製藍產量比老葉還高,葉的產量比莖高。本研究使用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)當作還原劑,使用HBV圖像分析法比較pH 3-13範圍,證明在任何酸鹼度都可用來染色,在pH 13時染色效果最好,pH 11以下染色能力大幅下降;藍泥與連二亞硫酸鈉的最佳重量比為1:14,使染色效果最接近於理論藍色值;藍染時最佳溫度約30°C。使用RGB圖像分析法建立建藍染液的三個階段,為 0-25分鐘的建藍初始期,R值上升緩慢染色效果差;在25-70分鐘的建藍成長期,R值上升速度快染色能力提升,在70分時有最佳的染色能力;最後70-180分鐘的建藍衰退期,R值隨時間下降染色能力下降。藉由本研究的分析方法找出最佳反應條件。Item 以自組裝攜帶型人體呼氣感測裝置對人體各種狀態下的呼吸商進行探討(2021) 劉書豪; Liu, Shu-Hao本研究使用氣體感測器為基礎,結合LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)電腦語言程式及獨創的氣哨聲波技術,成功開發出一款新型的攜帶式人體呼氣感測裝置,此裝置不只能對環境的氧氣及二氧化碳進行即時監測,還能對人體呼氣進行分析,本研究突破了以往大多數氣體分析實驗中須使用龐大且昂貴的氣象層析質譜儀的限制,人體呼氣感測裝置不只具有體積小且價格合理的優點,同時具備測量精準、操作簡單、不受環境限制及非侵入式設計等優勢,讓人體呼氣感測裝置在未來有相當大的發展空間。 在人體呼氣實驗中對受試者各種狀態下的呼吸商(respiratory quotient,RQ)進行探討,其中包含正常狀態、睡眠狀態(正常睡眠、午睡、失眠與賴床)及運動狀態(有氧運動與無氧運動),發現人體在睡眠狀態時,呼吸商大幅降低且隨著睡眠深度改變呈現三階段變化,而人體在有氧運動狀態時呼吸商呈S形線性下降,在無氧運動狀態時則小幅度上升,這些趨勢證明呼吸商與身體狀態具備高度關連性,使用人體呼氣感測裝置檢測呼吸商能作為判斷身體狀況的依據。Item 微型空氣汙染系統開發分析研究(2013) 呂御瑋; Yu-Wei Lu氣體採樣是量測空氣品質的主要方法,透過採樣氣體的濃度可以作為評 估目前周遭環境對人體健康影響的參考依據,因此,如何準確,有效率的氣體採樣,是主要的關鍵。目前採樣的方式有許多種,但主要還是透過專業的 定點氣體採樣檢測器,而這些專業採樣檢測器除了檢測準確率高之外,在價 格、體積和使用方式上往往受到許多限制。像是體積過於龐大並不適合隨身 攜帶,也並必須要使用有限的電源供應,無法長時間在戶外無法充電的環境 持續進行採樣。因此有介於專業檢測器的缺點,透過微型氣體感應器來進 行氣體採樣是未來生活中不可或缺的一項技術,微型氣體感應器除了低成 本方便體積小、低耗電、更重要的是微型氣體感應器可應用的範圍非常多 元化。所以本論文基於此目標進而開發出微型氣體感應器系統(Micro Air Pollution Sensing System, MAPS),透過專業檢測器的實驗分析,並根據本論文的評估,顯現MAPS 的實用性和可用性,此外MAPS 的操作方便、容 易攜帶適用於各種環境下進行汙染量測之外。Item Rh蛋白在斑馬魚胚胎皮膚的功能(2013) 施廷翰; Tin-Han ShihRh蛋白是在脊椎動物中發現的氣體通道蛋白,被認為具有運輸氨以及二氧化碳的能力。在魚類中,鰓(成魚)以及皮膚(胚胎仔魚)都是主要用來呼吸的器官,但是目前仍不確定是由何種特定細胞來執行排氨以及二氧化碳的功能,也尚未清楚Rh蛋白在其中扮演的角色。在我的研究中,我將利用斑馬魚胚胎,證明Rh蛋白參與皮膚氨以及二氧化碳運輸的功能。 在第一章的研究中,我以螢光免疫染色證明Rhcg1表現在富含氫幫浦細胞(HR cell)的頂端細胞膜上。利用SIET分析仔魚體表細胞的排氨功能後發現,HR cell比它型表皮細胞具有更強的排氨能力,而此排氨能力也隨抑制Rhcg1的表現而顯著降低。我也發現HR cell在高氨下仍可維持排氨作用,但若是抑制氫幫浦(H+-ATPase)或Rhcg1的表現則會使得HR cell失去高氨下的排氨能力,顯示H+-ATPase以及Rhcg1是HR cell執行主動排氨的關鍵分子。 我在第二章要探討排氨以及鈉離子吸收的運輸機制。透過高氨環境抑制排氨將使得鈉離子吸收能力降低。而增加鈉離子的吸收後則使排氨量增加,顯示氨與鈉離子的運輸息息相關。抑制了Rhcg1以及鈉氫交換蛋白(Na+/H+ exchanger, NHE3b)的表現後發現排氨與吸鈉量皆降低。抑制這兩蛋白也影響了體內鈉離子的含量,顯示Rhcg1以及NHE3b是魚類進行排氨依賴性的鈉離子吸收機制的重要蛋白。 於第三章我將分析另一Rh蛋白Rhbg在仔魚皮膚上的分布與功能。利用原位雜交以及免疫螢光染色我證明Rhbg表現在皮膚keratinocyte頂端與底側端的細胞膜上。與抑制Rhcg1相比,抑制了Rhbg的表現會造成更嚴重的排氨能力失調,顯示Rhbg對於排氨的影響更大。然而,Rhbg的抑制將造成Rhcg1的表現增加以及HR cell排氨能力的提升,這些現象說明補償性的排氨機制是藉由HR cell來調節。 在最後的章節中,我分析了仔魚皮膚Rh蛋白與二氧化碳運輸的相關性。研究發現利用高氨環境會抑制二氧化碳的排放,而高碳酸水也會降低氨的排放量,顯示二氧化碳與氨可能透過同一路徑排放。抑制了Rhbg蛋白會顯著降低二氧化碳排放量,但抑制Rhcg1則不會造成此現象。本實驗也利用H+探針測量表皮二氧化碳的水合(產生H+)與碳酸的水解(減少H+),藉以分析細胞膜對於二氧化碳的通透性。在高碳酸水的浸泡實驗中,抑制Rhbg將減少體表鹼化的程度,說明較少的二氧化碳通過表皮。這些數據證實Rhbg是魚類排放二氧化碳的重要路徑。Item 水通道蛋白8aa在斑馬魚仔魚上的功能性研究(2012) 高揚彥; Kao, Yang-Yen水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是一群執行水分子通透的細胞膜蛋白。此外,有些AQPs也被發現具有二氧化碳、甘油、氨與尿素的通透性。最近研究將斑馬魚(Danio rerio) aqps基因表現於蛙卵會增加細胞膜對二氧化碳/NH3通透性。然而,目前仍沒有活體的實驗證實AQPs在動物體內參與二氧化碳(carbon dioxide, CO2)及NH3的通透能力。在本篇研究中,在原位雜交反應的結果中發現aqp8aa主要表現於斑馬魚仔魚的鰓上及皮膚上,而在利用免疫組織染色搭配原位雜交反應的結果發現AQP8AA主要在皮膚上表現於兩型的離子細胞上(HR cells and NaR cells)。而在高氨馴養(10 mM NH4+)的情況下aqp8aa的mRNA表現量有顯著提升的情況,而在高碳酸水馴養的情況下卻無此情況產生。利用反義核酸(morpholino oligonucleotides)抑制aqp8aa蛋白質的表現後,利用掃描式離子選擇性電極(scanning ion-selective technique, SIET)來分析H+及NH4+在斑馬魚仔魚皮膚及離子細胞上的運輸。在knockdown aqp8aa表現後,發現仔魚整體的H+及NH4+的排放量都有下降的情況,而在特定細胞也有相似的結果,而在CO2短暫灌流的結果中也發現魚體對於H+排放量都有下降的情況,在特定細胞也有相似的結果,由此結果推論AQP8AA在斑馬魚的仔魚上可能參與著此三物質的運輸。Item 水通道蛋白(aqp1a)在斑馬魚胚胎表皮參與二氧化碳的運送(2011) 趙珮伶; Pei-lin Chao水通道蛋白(aquaporins, AQPs)是一群執行水分子通透的細胞膜蛋白。此外,有些AQPs也被發現具有二氧化碳、甘油、氨與尿素的通透性。因此AQPs 依其功能又區分成三亞群,分別為aquaporins, aquaammoniaporins, 與 aquaglyceroporins三群。在哺乳類研究發現,AQP1缺失的紅血球會降低二氧化碳通透性。最近研究將斑馬魚(Danio rerio) aqp1a表現於蛙卵會增加細胞膜對二氧化碳通透性。然而,目前仍沒有活體的實驗證實AQPs在動物體內參與二氧化碳(carbon dioxide, CO2)通透。本研究利用斑馬魚仔魚為模式動物,探討aqp1a在仔魚表皮細胞上的分佈與功能。將1 % CO2馴養一週的仔魚以real-time PCR分析,結果顯示aqp1a mRNA表現量增加。利用原位雜交與抗體染色標定,發現aqp1a大量表現於卵黃囊表皮上的H+-pump-rich cell與Na+ -pump-rich cell,其他表皮細胞則有少量的表現。利用morpholino knockdown弱化aqp1a蛋白的表現再利用離子選擇電極技術(SIET)分析碳酸排放,發現aqp1a基因弱化的仔魚碳酸的排放減少,顯示aqp1a在胚胎體表細胞扮演CO2通透的功能。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 二氧化碳氫化反應、Fischer-Tropsch 合成反應在M(111) (M = Fe、W) 表面之理論計算研究(2011) 李涵榮; Li, Han-Jung摘 要 第一部分 : 二氧化碳在Fe(111) 及W(111) 表面氫化反應探討 我們使用密度泛函理論來研究二氧化碳在Fe(111)及W(111) 表面的氫化反應,包括: 產物的結構、吸附能並計算氫化反應之位能圖。計算結果顯示,在Fe(111) 及W(111) 表面,二氧化碳的氫化反應有很相似的路徑,但在能量上卻有很大的不同。在Fe(111)表面,氫化產生Formate (HCOO) 和Carboxyl (COOH) 的反應能障分別為0.72 和1.75 eV,在W(111)表面則為0.79 和 2.91 eV。兩者都傾向生成Formate (HCOO-vertical) 產物。而Formate後續的氫化反應,結果顯示在Fe 及W表面都不傾向產生甲酸,而若要產生甲醇,則速率決定步驟在兩表面皆為最後一個氫化步驟,CH3O + H → CH3OH,反應能障分別為1.71 eV(Fe) 和2.18 eV(W)。為了瞭解吸附物和表面的交互作用,我們也提出電子結構等相關資訊輔以討論。 第二部分 : Fischer-Tropsch合成反應在Fe(111) 及W(111) 表面可能的反應機構探討 我們使用密度泛函理論來研究Fischer-Tropsch合成反應在Fe(111)及W(111) 表面可能的反應機制,其中包括CO的活化反應、CHx (x = 0~3) 的氫化反應及C-C單體結合反應。結果顯示不論在Fe(111)或W(111)表面,CO並不會直接斷C-O鍵,反而傾向先和表面的H原子進行氫化反應,生成中間物CHO,接著才解離C-O鍵。 CHx (x = 0~3)的選擇性,在Fe(111) 及W(111)表面,皆以CH佔大多數。最後,在Fe(111)表面,C-C 單體結合反應,傾向以CH + CH的方式進行,反應能障為0.54 eV。而在W(111)表面則可能以CO + CH 或CH + CH方式進行,能障分別為0.26 eV 和0.35 eV。為了瞭解吸附物和表面的交互作用,我們也提出電子結構等相關資訊輔以討論。Item 利用理論計算探討電催化還原二氧化碳的反應機制(2012) 李子翊; Zi-Yi LiRuII(bpy)(trpy)(CO), bpy = 2,2'-Bipyridine, trpy = 2,2':6',2”-terpyridine, 這個錯合物是少數能夠將二氧化碳直接還原成甲醇的有機錯金屬錯合物,這個錯合物曾經被報導可以在通入-1.5V的電壓環境下,生成甲醇和碳碳鍵生成的產物,利用此催化劑還原二氧化碳的產物包括了CO、HCOOH、CH3OH、HC(O)H、H(O)CCOOH以及HOCH2COOH,而第一個推測這個催化反應的反應機制是Tanaka,但是這個催化反應的各種中間產物的詳細資訊,不管是在實驗或是理論計算中都還是不清楚的。 在目前的研究利用理論計算的方法來分析這個反應機制,包括利用還原電位,pKa以及自由能來更完善Tanaka所預測的反應機制,並探討其反應的可行性。 關鍵字: 二氧化碳,理論計算,電催化,反應機構