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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    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。
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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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    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。
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    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。