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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    以理論計算方式探討以下反應機構:I.Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應 II.Pt(111)表面上以CHxNO為起始物之HCN生成反應
    (2011) 陳維家
    第一部分:Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應 我們使用周期性密度泛函理論來研究Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應,這是工業上用來製成氫氰酸(HCN)的重要催化反應。這個反應包含以下幾個部分:CH4和NH3的脫氫、反應物和產物(CHx、NHy和CHxNHy;x=0-3、y=0-2)的吸附、反應分子在表面上的移動以及C-N鍵結合反應。根據我們的計算結果,反應物CHx和NHy在Pt(111)/Ni(111)表面上的吸附能為7.41/6.91、6.97/6.52、4.58/4.39、2.19/2.01 eV以及5.10/5.49、4.12/4.79、2.75/2.87 eV,符合以下規律:C > CH > CH2> CH3以及N > NH > NH2;而產物的吸附能則是在Pt(111)上CNH2最佳,在Ni(111)上NCH3最佳。在C-N鍵結合的部分,不同表面上的活化能及反應熱都不盡相同,但它們的起始物、過度狀態以及產物的吸附結構都非常相似。其中,在Pt(111)表面上, CH2+NH2有最低的活化能;而在Ni(111)表面上,則是CH+NH2有最低的活化能。我們也使用了電子態密度(LDOS)、電子局域密度函數(ELF)以及電荷分析,用以佐證我們的計算結果。 第二部分:Pt(111)表面上以CHxNO為起始物之HCN生成反應 我們使用周期性密度泛函理論來研究HCN在含氧情況下的生成反應,用以模擬HCN工業製成中的Andrussow process。我們使用NO (由O2氧化NH3產生)和CHx (由CH4脫氫產生)結合成的CHxNO (x=0-3)為起始物,研究其生成HCN的反應機構。根據我們的計算結果,CHxNO吸附在Pt(111)表面上之吸附能分別為4.11、1.91、2.04和2.12 eV。其中,從CH3NO生成HCN之最可能反應路徑為:CH3NO依序斷兩個C-H鍵形成CHNO,CHNO進一步氫化成CHNOH後再斷N-OH鍵形成最終產物HCN。此步反應之速率決定步驟為CH3NO(a)→CH2NO (a) + H(a),活化能為1.22 eV。
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    以理論計算探討在各種奈米團簇(純金屬或金屬氧化物)上之化學反應: I. 氮氣分子在釕金屬奈米團簇(Ru19與Ru79)上的斷鍵反應 II. 一氧化碳分子在Ni4(OH)3/hGO材料上的氧化反應 III. 乙醛及乙醇分子在氧化鋅奈米團簇[(ZnO)12]上的轉換反應
    (2016) 葉丞豪; Yeh, Chen-Hao
    藉由各式奈米團簇催化不同化學反應,是近年來的重要研究議題之一。其中N2分子的斷鍵是氨氣合成中的速率決定步驟並且釕金屬是常用於這個反應的催化劑。其中雙二十面體結構(double-icosahedral, DI-Ru19)的Ru19奈米團簇以及雙截角八面體形(twinned truncated octahedral, t-TO-Ru79)的Ru79奈米團簇結構,均具備高活性的”類山谷”區域能夠用來催化N2的吸附和斷鍵。我們的計算結果顯示N2在DI-Ru19團簇上的活性類山谷區域的斷鍵活化能最小為0.78 eV。在t-TO-Ru79團簇方面, N2在Ru79團簇上類山谷區域呈現非常低的斷鍵活化能只有0.27 eV。透過電子結構分析,N2的2π*軌域會直接對到釕金屬團簇上類山谷區域中排列的Ru原子,使得不少的電荷轉移經由Ru的d軌域轉移至N2的2π*軌域才使得N2在釕金屬團簇上的斷鍵活化能降低。 氫氧化鎳團簇與氧化石墨烯組成的材料是一種新型的材料並可以應用於電化學催化反應上。在這邊我們將一個Ni4團簇吸附於一個飽和的羥基氧化石墨烯表面(hGO)上並發現Ni4團簇會被氧化成氫氧化鎳的團簇穩定吸附於表面上(Ni4(OH)3/hGO)且放熱4.47 eV。接下來我們在這個新形成的Ni4(OH)3/hGO表面上進行CO氧化反應的可能反應機構研究-分別為Eley-Rideal (ER)、Langmuir-Hinshelwood (LH)以及carbonated反應機構。我們的計算結果顯示經ER反應機構第一個CO氧化形成CO2的活化能為0.14 eV,比經由LH (Ea = 0.65 eV)以及carbonated反應機構(Ea = 1.28 eV)還要小。CO經ER反應機構氧化形成第二個CO2的活化能為0.43 eV,仍然比CO經由LH反應機構氧化形成第二個CO2的活化能(Ea = 1.09 eV)還要小,代表CO分子在Ni4(OH)3/hGO表面上進行氧化反應可以經由ER反應機構進行。 氧化鋅在催化aldol或是Knoevenagel縮合反應上是個有效的催化劑並且還能應用於感測乙醇分子的感測器上。這邊我們即探討乙醛與乙醇在(ZnO)12團簇上進行吸附以及C-C結合反應的可能反應路徑。首先在只有乙醛分子的反應部分,其主產物會是乙醛採用aldol反應機構中Zimmerman–Traxler model進行C-C結合反應生成3-hydroxylbutanal。 接著在只有乙醇分子的反應部分,並不會有任何產物自發地產生無論是經由乙醇脫氫形成的乙醛或是乙醇分子經C-C結合反應產生的丁醇分子。最後當乙醛與乙醇共吸附於(ZnO)12團簇上的反應部分,主產物會是乙醛與乙醇分子經類似aldol反應機構作C-C結合反應形成之2-buten-1-ol 。這個結果說明若要在(ZnO)12團簇上進行乙醛或乙醇之間的轉換反應,其反應速率與產物會依據乙醛的含量而有所變化。