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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    鎳有機金屬骨架薄膜之長晶機制並應用於染料敏化太陽能電池之電觸媒
    (2023) 邱伯特; Qiu, Bo-Te
    藉由原位配基合成的方法,以6,6’-二硫二菸酸(H2dtdn)作為初始物形成mdn配基,成功合成一種結構為[Ni(mdn)(H2O)2]n的鎳有機金屬骨架材料(MOF)。利用2-巰基-3-吡啶甲酸所形成的自組裝單層,可使[Ni(mdn)(H2O)2]n薄膜生長在不同的導電基材上,例如FTO導電玻璃、碳布、發泡鎳。MOF薄膜由基材底部開始生長的反應機制可分為以下的幾個步驟:(1) 2-巰基-3-吡啶甲酸錨定在基材上;(2) 在2-巰基-3-吡啶甲酸上的硫醇基和質子裂解後,分別形成3-吡啶羧酸根自由基和去質子的2-巰基菸酸根;(3) 從2-巰基-3-吡啶甲酸得到的3-吡啶羧酸根自由基會與從6,6’-二硫二菸酸得到的去質子6-巰基菸酸根形成碳-硫鍵結;從2-巰基-3-吡啶甲酸得到的去質子2-巰基菸酸根與從6,6’-二硫二菸酸得到的3-吡啶羧酸根自由基形成碳-硫鍵結;(4) 兩種鍵結都會形成6-(3-carboxylatopyridin-2-ylthio)nicotinate作為錨定基團;(5) 鎳離子(II)會與基材上的錨定基團配位;(6) mdn與鎳離子(II)的配位不斷延伸而形成[Ni(mdn)(H2O)2]n。當上述[Ni(mdn)(H2O)2]n@CC及[Ni(mdn)(H2O)2]n@NF作為染料敏化太陽能電池(DSSCs)的對電極時,MOF薄膜對於I3–還原的催化活性越高,染敏電池的光電轉換效率就會越好。通過調整反應時間進而調整薄膜的粗糙度、厚度以及中孔率可獲得最優化的[Ni(mdn)(H2O)2]n@CC (標示為D12h@CC)。有鑑於發泡鎳在MOF生長過程中會伴隨蝕刻反應,調整了薄膜的粗糙度、厚度以及附著力可獲得最佳的[Ni(mdn)(H2O)2]n@NF (標示為D06h@NF)。在染敏太陽能電池的測量上,D12h@CC與D06@NF 分別在一個太陽光下達到了9.30%與8.42%的效率。這些電極表現出的電化學性能比稀貴的白金碳布電極(9.36%)與白金發泡鎳電極(8.78%)來說更有競爭力。而在昏暗的低照度下,由D12h@CC組裝的染敏電池在6000流明達到10.80%,以及在3000流明達到15.52%的效率,顯示此材料對於染敏電池加入互聯網元件有良好的潛力。
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    空氣穩定鈣鈦礦電觸媒應用於染料敏化太陽能電池對電極
    (2021) 鐘仁駿; Zhong, Ren-Jun
    本研究論文旨在通過使用易於製造的染料敏化太陽能電池作為合適的量測平台來評估空 氣穩定的電化學耐用鈣鈦礦材料。在第三章通過使用於透明層的商用 Ti-Nanooxide 塗料並且 優化光散色層的二氧化鈦塗料,來建立一個穩定、可靠、低成本且易於製造的染料敏化太陽 能電池。在不使用高溫高壓設備合成二氧化鈦奈米和微米顆粒的情況下,通過添加重量比為 50 %的二氧化鈦固體製備均勻可靠的光散射二氧化鈦塗料,該塗料由 Ti-Nanoxide/ST-41(重 量比為 2/1)和聚乙二醇(PEG,相對於 ST-41 的重量比為 25%)溶於第三丁醇/去離子水(體 積比為 9/1)的混合溶劑中。獲得高達 8.47%的電池性能並具有良好的重現性和可靠性,可用 於進一步研究鈣鈦礦電極的電催化性能。 在第四章中通過使用 100%的甲脒作為 A 位分子,摻雜 10%的碘化鍺(II)於B 位元素穩定劑並添加四烷基鹵化銨作為表面鈍化劑,成功製造出結構為發泡鎳基板/二氧化鈦/甲脒碘 化鉛鍺(NF/TiO2/FA(Pb1-xGex)I3)的空氣穩定和電化學耐用的鈣鈦礦電極。所有被不同四烷基鹵 化銨鈍化的 FA(Pb1-xGex)I3 鈣鈦礦薄膜均表現出良好的 α-FAPbI3 結晶並保持良好的熱力學穩 定性,在空氣中至少四個月沒有任何晶體分解或衰變。當表面鈍化劑的四烷基銨陽離子中烷 基取代基的長度從乙基(C2)逐漸延長至十二烷基(C12)時,我們發現四正己基銨(THA)碘化物 可提供最佳的電池性能。在 FA(Pb1-xGex)I3表面添加溴化物(THA-Br)可形成少量 FAPbBr3作為 額外的活性位點來增益 I–/I3–的氧化還原反應,然而當表面添加氯化物(THA-Cl)時,THA-Cl 的團聚使得表面鈍化效果低下以及覆蓋了電活性位點,導致 FA(Pb1-xGex)I3的電催化能力下降。 最佳的 NF/TiO2/FA(Pb1-xGex)I3/THA-Br0.5I0.5 電極對多種氧化還原介質(I–/I3–, CoII/III-phen 和CuI/II-dmp)均表現出良好的電化學耐用性和電催化能力。優化後的NF/TiO2/FA(Pb1-xGex)I3/ THA-Br0.5I0.5對電極可使其染料敏化太陽能電池在 I–/I3–系統中達到 8.50% (1 個太陽光),而在1 klux (飛利浦 T5 燈)下可達到 22%,且均具有良好的重現性,相較於傳統的白金對電極 (9.78%),可達其效能的 87%,顯示出空氣穩定之鈣鈦礦電極在各種電化學系統中具有無限的 應用潛力。
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    三苯胺硫二苯胺系列雙錨基有機染料應用於染料敏化太陽能電池
    (2021) 潘姿霒; Pan, Tzu-Ying
    合成三苯胺硫二苯胺染料(TY1-TY3)作為無金屬的有機染料,應用於染料敏化太陽能電池(DSSC)。引入三苯胺(TPA)作為硫二苯胺(PTZ)的N-取代基,目的在於作為二級電子予體並建立階層式電荷轉移通道,增加主要電子予體PTZ的電荷轉移(ICT)至錨基,且提供快速的染料再生。以4-(hexyloxy)phenyl (-OC6H13)或4-(hexylthio)phenyl (-SC6H13)取代基的三苯胺硫二苯胺核心,與3-hexylthiophene連接,得到TY1。同樣的,當使用 4,4-bihexyl-4H- cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene (CPDT)作為共軛架橋,則會得到TY2和TY3。當TPA主體上的取代基從4-(hexyloxy)phenyl轉換成 4-(hexylthio)phenyl (TY2到TY3)時,發現染料的ICT吸收峰藍移且HOMO/LUMO能階顯著的提高,是由於烷硫取代基的推電子特性比含氧類似物更強。因此基於TY3的染敏電池元件表現出低於3%的效率,歸因於 4-(hexylthio)phenyl取代基的存在,導致無效率的電子注入。當共軛架橋從3-hexylthiophene延伸到CPDT(TY1到TY2)時,ICT吸收帶變窄、莫耳消光係數變高,但HOMO/LUMO能階維持不變。這種現象指出共軛長度的延伸不利於TY染料的光吸收,從而不利於電子注入。在所有TY染料中,當TY1含有鵝去氧膽酸(CDCA)作為共吸附劑,在一個太陽光的條件下,表現出良好的光電轉換效率達 10.47%;此裝置效率優於N719 (9.50%)和HL5 (8.53%)。這些結果歸因於TY1具有適當的光吸收範圍、有效的電子注入、良好的階層式電荷轉移通道和快速的染料再生。在室內照明(Philips T5 lamp)下,基於TY1的染敏電池在1000 lux、600 lux 和300 lux下分別達到了21.2%、19.5% 和16.8%的光電效率,顯示出染敏電池在物聯網 (IoT)應用上的無限潛力。
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    環修飾之紫質的設計與合成以應用於太陽能光敏染
    (2014) 山地普; Sandeep Mane
    此篇論文報導了新的環修飾紫質以及大環紫質的設計與合成,以及其在太陽能光敏染料之應用。此些染料的發展由單硫取代紫質以及單氧取代紫質開始,並且其上有一ethynylphenyl 基團為共振鏈以及以羧基為掛載基團。比較這些異原子取代紫質與傳統的四氮紫質,結果顯示異原子的取代降低了這些染料的光電伏打效率,其中單氧取代的紫質表現更低於單硫取代的紫質。接著我們對單硫取代紫質進行了環修飾得到了擁有A3B以及A2B2之不同取代型式的五種衍生物。經由光物理和電化學的研究顯示以ethynylphenyl基團延伸共振的鏈長不僅增加了環的平面性,同時也增加了光譜的紅位移。而在取代基上加上擁有拉電子能力的cyano基團亦可增加分子的極性而讓分子有較佳的電荷轉移效果。結合上訴修飾,單硫取代紫質的光電轉換效率可由沒有cyano基團的0.2 % 提升到有cyano基團的1.69 %。 我們亦致力於研究大環紫質於太陽能光敏染料的應用。我們合成出了有硼配位的oxasmaragdyrins,其是擁有22 個π電子共振的芳香大環紫質。這些染料擁有合適的還原電位,高消光係數,良好的穩定性,以及高光電轉換效率。更重要的,其在可見光區段的吸光範圍廣泛,且其較低能量的Q band吸收位於在紅外光區段。基於上述條件,oxasmaragdyrins適合用來發展為太陽能光敏染料。我們亦於了oxasmaragdyrins 環上掛載了不同的推拉電子基,並進行研究與討論。令人意外的,掛載上tripheylamine為推電子基以及ethynylphenyl為共振鏈的染料其光電轉換效能相較於未修飾的染料並未增加。 最後,我們合成了分別擁有一個和兩個羧基的新的二氮三硫 sapphyrins化合物並且將其應用於太陽能光敏染料。由電化學研究看來,其最低未佔軌域與二氧化鈦之傳導能帶間的差距太相近,使其不夠能讓激發的電子做有效的電子注入至二氧化鈦,故此染料的光電轉換效率不佳。 至目前為止,此論文完成了單硫取代紫質最高的光電轉換效率,並且開發出了一系列新的大環紫質為高效率的太陽能光敏染料。
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    以簡易且低成本的多掛載基之紫質於作為高效率之太陽能電池光敏染料
    (2013) 安培; Ram Ambre
    以簡易且低成本的多掛載基之紫質於作為高效率之太陽能電池光敏染料 太陽能光敏染料技術為現今替代能源技術當中相當具有潛力的領域,現今有許多的研究學者都投入大量的心力專研於開發高效率的太陽能染料電池。此論文亦致力於設計並合成可以簡易的方法且低成本合成之紫質太陽能光敏染料。 本論文共分成六章。第一章為太陽能光敏染料電池之基礎介紹。第二到五章則是關於實驗結果之討論。而最後一章則為所有結果與討論之總結。 在第一章裡,為了要說明太陽能光敏染料的工作原理,其各個組成部位,譬如工作電極,光敏染料,電解液,對電極均有被敘述討論。各種影響效率的參數亦有所討論。並且目前此領域的發展及趨勢也有相關的文獻討論。對於各種高效率的釕,紫質,和有機染料也都有做文獻的探討。 在第二章節裡,我們合成並有系統的研究了一系列的紫質光敏染料,如 Zn3S1A, trans-Zn2S2A, cis-Zn2S2A, 以及 Zn1S3A。關於這些染料上 thienyl 和 p-carboxyphenyl 取代基的數目以及位置對於光電效應的影響,我們亦有系統性的討論。在這些染料中,轉換效率的Zn1S3A (3.01%) 和 cis-Zn2S2A (2.50%) 的轉換效率高於 trans-Zn2S2A (1.80%) 和 Zn3S1A (0.20%)。這結果闡明了關於 thienyl 和 p-carboxyphenyl 取代基的數目以及位置對於染料之電子結構,電化學性質,以及光電性質之重大影響。 第三章討論的主要是包含了由兩個推電子官能基和兩個拉電子所組成的紫質染料,其中包括 cis-Zn2T2A, cis-Zn2U2A, cis-Zn2S2A, cis-Zn2TH2A, cis-Zn2TC2A, cis-Zn2BC2A 和 cis-Zn2TPA2A 。這些由兩組推拉電子基所組成的紫質染料顯示出了當推拉電子基有所不同時,其電子注入電極的效率亦不同。此些染料中 cis-Zn2BC2A 擁有最高的效率, 4.07%。此外,此類由兩組推拉電子基所組成的染料表現出比單一拉電子基染力更高的化合物穩定性。 第四章中,我們合成了新的紫質染料Zn1T3A, Zn1U3A, Zn1S3A, Zn1TH3A, Zn1TC3A, Zn1BC3A 和 Zn1TPA3A 其在 meso 位置擁有三個 p-carboxyphenyl 以及一個推電子基。此些化合物的電化學和能階分布結果顯示他們適合用於太陽能光敏染料之研究。由衰減全反射紅外線光譜我們得知,此些紫質以兩個 p-carboxyphenyl 基掛載於二氧化鈦表面。儘管只擁有一個推電子基,但Zn1TPA3A (5.26%) 和 Zn1TH3A (5.36%) 確有筆掛載兩組推拉電子基的紫質擁有更高的效率。 在第五章中主要為討論新的單氧紫質及其鋅錯合物的合成,及其光譜鑑定;包括可見光光譜,質譜,核磁共振光譜,晶體。雖然此些單氧紫質及其鋅錯合物的效率非常的低,但他們讓環修飾的紫質類更往太陽能光敏染料跨進了一步。 最後一章即是概括並總結前述五章節。在所合成的染料中,效率的分布有低 (0.20% ,Zn3S1A) 有高 (5.36% ,Zn1TH3A)。我們的染料主要的優勢乃在於低成本,簡易的合成,以及較好的穩定性。此論文主要也是指導如何思考並設計此類低成本,高效率,且穩定的染料。