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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    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。
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    樹枝狀鉑金雙金屬觸媒之研究
    (2010) 林琦珍; Chi-Chen Lin
    本研究利用三種不同的方法在三維樹狀金電極上修飾少量的鉑,並探討應用於直接甲醇燃料電池的催化活性和表現。製備出的鉑金雙金屬觸媒會使用X射線光電子能譜(XPS)、穿透式電子顯微鏡(TEM)和循環伏安(CV)進行結構鑑定。 首先,我們以浸泡電鍍法(IE)在樹狀金電極上修飾少量的鉑,研究發現,鉑會以類似二維的方式成長在金基材表面,而修飾了少量鉑的金電極在鹼性溶液下,對甲醇的電催化活性是較未修飾鉑的金電極來的好。再者,我們使用低濃度的氯鉑酸水溶液,添加葡萄糖作為還原劑,以無電電鍍的方式沉積鉑於金電極上。相較於未修飾鉑的金電極及大量沉積鉑的金電極,此方法製備出來的鉑金電極,對於甲醇電催化效果皆有較佳之表現。 最後,我們以銅的低電位沉積,在金電極上修飾單層銅,再以氧化還原法將單層銅置換成單層鉑,成功的在金電極上修飾一至五層之鉑層。經過電化學分析結果,修飾單層的鉑金電極有最佳的催化活性及良好的抗毒化效果。 我們的結果顯示鉑金之間的關係和對甲醇的電催化活性表現,並提供數個方法來控制鉑奈米粒子的分佈。我們製備出超低含量鉑的鉑金雙金屬觸媒,表現出優良的電催化活性及CO抗毒化效果。
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    雙金屬合金觸媒PdxFe1-x其結構對燃料電池陰極氧氣還原反應之電催化活性
    (2010) 吳禹函; Yu-Han, Wu
      本篇主旨在利用不同方法合成出13nm、7nm及4nm之PdxFe1-x奈米粒子,做為燃料電池陰極觸媒,成本較傳統市售的白金觸媒來的低,並調控Pd及Fe的組成比例,由XRD、TEM、EDS與XAS中的XANES及EXAFS來鑑定奈米粒子之結構及表面組成,並進行電化學分析,利用旋轉電極測量其對氧氣還原反應的催化活性,探討PdxFe1-x的電催化特性與其結構間的關係,發現4nm之PdxFe1-x奈米粒子擁有較佳的催化效果,根據結果顯示,隨著奈米粒子之粒徑趨於變大,則氧氣還原反應的onset potential將向負偏移,而Fe及Pd的表面組成比越趨近於一比一,則mass activity越大,表是吾人利用水相合成出ultra small且表面組成比為一比一的PdxFe1-x/C奈米粒子在燃料電池陰極氧氣還原反應擁有良好的催化特性。
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    碳黑前處理對PtRu/C催化表現的影響
    (2008) 簡明芳; CHIEN MING FANG
    在本研究,對直接甲醇燃料電池之陽極催化劑支持物(碳黑)進行化學處理,並測試其對甲醇電氧化的催化活性。碳黑經由過錳酸鉀、過錳酸鉀加硝酸、硝酸以及過氧化氫處理而官能基化。利用FT-IR和XPS來測定碳黑上表面含氧官能基。從結果發現,碳黑經由這些氧化處理可以讓表面含氧官能基增加。 我們以兩種方式來合成出碳黑支持鉑釕催化劑:還原和吸附。並藉由XPS、ICP-AES、XRD和TEM來鑑定鉑釕催化劑被支持在未處理和已處理的碳黑上。結果發現經由還原方式座落在碳黑之鉑釕的數量與碳黑表面含氧官能基的量有ㄧ定的相關性。碳黑表面的含氧官能基能增加表面上的可濕性,因而能讓前驅物更容易還原於碳黑表面上。利用對甲醇的CV和EIS實驗來測定催化劑的電催化活性。由結果知道,來自於經過官能基化的碳黑上之鉑釕的電催化性具有更好表現度,其中特別是經過過氧化氫修飾的碳黑。
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    燃料轉換效率於多元金屬催化劑之理論計算研究:硫毒化反應與甲醇氧化反應
    (2019) 陳昭穎; Chern, Zhao-Ying
    本篇論文以第一性原理計算幾個不同的異質催化反應在燃料電池的應用,包括 (1) 第二章討論硫毒化與移除於BaZrO3陽極的反應, (2) 第三章討論甲醇裂解反應於鉑—石墨烯之性質, (3) 第四章討論甲醇氧化反應 (MOR) 與甲酸氧化反應 (FAOR) 於鉑三元合金 (PtRuM, M=Fe, Ti) 陽極之性質。 第二章節中,計算結果發現燃料中含有的H2S(g)會毒害催化劑表面,此為強放熱反應,然而,移除硫化物為吸熱反應。表示硫毒化為一自發性發生且難避免的反應。研究發現水的加入可以幫助硫化物的移除。除此之外,我們還列出了反應熱與自由能以及電池電動勢之間的關聯性,以此探討電池偏壓以及H2S(g)與H2O(g)的氣體分壓對於硫化反應的影響。第三章討論以石墨烯為擔體之鉑催化劑對於甲醇吸附的性質差異。根據石墨烯與鉑的結合角度可分為0o和30o角,研究結果發現甲醇可吸附在鉑團簇上,但對於鉑層吸附較弱。此種差異可以應用於材料的保護層。第四章討論配位基效應與雙官能基效應對於MOR與FAOR於鉑釕三元合金 (PtRuM, M=Fe, Ti) 上造成的反應差異。鐵的加入可使周圍電子離域化,而鈦的加入可使電子更局域化。總體來看,PtRuTi可以幫助MOR與FAOR更容易進行反應,而鐵的加入幫助不大。