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 銀奈米粒子輔助之矽微米結構應用於水分解之光陰極(2014) 陳鳴桂本研究中,我們將p型矽晶片蝕刻成矽微米柱陣列,由於矽微米柱結構減少了電子傳輸至與水介面之距離與提供電子單一傳輸方向,故增強光電流訊號。此外,我們將電漿粒子修飾於矽微米柱上藉表面電漿共振效應增加水分解效率。表面電漿共振具兩種現象,其一,電漿粒子上鄰近費米能階之電子被激發至較高能階形成熱電子,且足以克服蕭基能障進入矽微米柱之導電帶,致使增加光電流。第二,產生電場促使矽微米柱上之表面產生電子-電洞對,並減少電子-電洞再復合現象。於表面電漿共振之效應下,有效提升光電流,於參考電極為銀/氯化銀電極,外加偏壓-1 V下,可測得光電流約42 mA/cm2 。Item 結合二碲化鈷與二氧化鈦保護層之矽微米柱異質結構應用於光催化水分解(2017) 林育辰; Lin, Yu-Chen全球每年平均能源消耗約15兆瓦,且對於能源之需求與日俱增,故各國積極開發乾淨之替代能源變得越來越重要,而有效利用太陽能進行光催化水分解為一新之展望,其可取代化石燃料,以達到無碳排放與零污染產物等特點。應用於光催化水分解之光觸媒須滿足特定條件,首先須為半導體材料,且其導電帶位置須負於氫氣之還原電位,此研究以矽為光觸媒,因其具窄能隙,故可利用大部分之可見光,為太陽能產氫能源建立新之里程碑。 此研究使用矽微米柱陣列結構作為光捕捉之利用與增加反應表面積,並減少電子擴散路徑,其藉由黃光微影製程技術與乾式蝕刻製作而成,完成之柱長與直徑分別約為10 μm和0.85 μm。然而於目前之研究領域中,矽基光電極仍有許多問題存在,大致上為光生載子動能不足與氧化物生成造成不穩定之結果。此研究利用修飾過渡金屬二硫屬化合物(transition metal dichalcogenide;TMD)為軸,以二碲化鈷(CoTe2)作為共觸媒,並使用原子層沉積(atomic layer deposition;ALD)生成二氧化鈦(TiO2)作為保護層以解決上述之問題。藉由簡易之陽離子交換反應法,以鈷離子置換前驅物亞碲酸鈉(Na2TeO3)之鈉離子,並經氫氣還原反應後得二碲化鈷。而經原子層沉積後,可於電子顯微鏡下觀察到二氧化鈦包覆於矽微米柱表面,以避免電解液與矽基材直接接觸。 於異質介面上探討能帶彎曲對稱情形,使介面能障消失,更以六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane;HMDS)進行預處理,減少表面張力並對表面進行改質,可有效改善共觸媒不均勻分散於微米柱結構之情況,並可降低介面阻抗,其結果於電子顯微鏡下觀察到粒子聚集情況降低,且以X光光電子能譜分析可得矽-氧鍵之比例減少,進而改善光生載子傳輸效率,以降低載子再結合發生機率。 光電流特性則於模擬太陽光照射(100 mW/cm2)下,以標準氫電極電勢(reversible hydrogen electrode;RHE)為0 V下量測其光反應,其結果顯示於定量下30 μL共觸媒前驅物所合成之二碲化鈷具最佳光電流特性,於0 V vs. RHE下光電流可達24 mA/cm2,同時起始電位正偏移至0.17 V。而沉積二氧化鈦保護層後,進行長時間產氫量之量測,經計算後可得約80%之法拉第效率(Faradaic efficiency;ηF),且其穩定性於酸性電解液環境中可維持5小時無明顯衰減。Item 矽微米柱輔以共觸媒二硫化鈷之光陰極於太陽能水分解之特性研究(2015) 陳柏慈; Chen, Po-Tzu太陽能光催化水分解已成為一新展望,作為一取代石化燃料之目標,乃因其具有零碳排放與空氣零汙染等優點。眾多半導體材料中以矽具備較窄之能隙與適當之傳導帶位置,其傳導帶約負於氫之還原電位,被視為於太陽能產氫燃料中最具潛力候選人之一。 本研究所使用矽微米柱乃藉由微影製程技術與乾式蝕刻製程完成,柱子長度與直徑分別約為10 μm和0.85 μm。然而目前研究領域上,水分解過程中矽光電極其穩定性仍然為一備受考驗之挑戰。在本研究中,我們選擇以二硫化鈷(CoS2)作為實驗中矽光陰極之共觸媒,其藉由對前驅物Co(OH)2以熱硫化之簡易方法即可製得。所製備之二硫化鈷修飾於矽之光陰極於電子顯微鏡下觀看,形貌呈現出一微米尺度之核-殼結構,二硫化鈷完全包覆於光觸媒矽之表層。研究中,矽光陰極於太陽模擬光照射(100 mW/cm2)、標準氫電極電位(reversible hydrogen electrode)RHE為0 V下並無法顯示出光反應,然而當沉積4小時之二硫化鈷修飾矽微米柱表面後,光電流可提升至0.666 mA/cm2。所有樣品之最佳參數為沉積6小時之CoS2-Si光陰極,其餘外加偏壓為0 V時之光電流大小可達3.22 mA/cm2,而起始電位正偏移至0.248 V,若進一步將二硫化鈷修飾量增加,則可能加長光生載子所需傳輸路徑,反而增加載子再結合機率。另一方面CoS2-Si-6h光陰極其穩定性於0 V(vs. RHE)可維持9小時而不具明顯衰減。 光催化水分解之表現實驗中由交流阻抗法進行分析,量測到用不同時間沉積二硫化鈷所得之阻抗值與光電流特性曲線具有相同趨勢。同時我們以同步輻射光源進行x光吸收能譜,期望更深入瞭解光電子於矽與二硫化鈷間之傳導訊息,研究中我們亦以x光光電子能譜以研究二硫化鈷修飾於矽、矽與白金修飾於矽等三種光電極差異。證明出矽與鉑-矽光電極之光催化效率衰減來自於實驗過程中矽於水溶液中產生氧化所致,而以二硫化鈷修飾矽後,則因二硫化鈷扮演一完全覆蓋之保護層,使得反應前後之光陰極之訊號不存在差異性。 研究結果顯示CoS2-Si於本研究中作為一光催化水分解上之良好光陰極,同時作為促進載子傳輸效率之共觸媒,與能夠避免矽產生氧化之鈍化層。利用CoS2-Si-6h作為光陰極進行光催化水分解之產氫與產氧效率分別為0.833與0.414 μmol/min。 關鍵字:水分解、光觸媒、光陰極Item 開發FeS2-TiO2複合材料並應用在光催化產氫之研究(2013) 向柔瑋; Rou-Wei Xiang在本實驗中,我們利用溶液合成方法製備出親水性的二硫化鐵奈米晶體(FeS2 NCs),再與市售的二氧化鈦 (TiO2,Degussa P25)混合,作為複合材料光觸媒,應用在光催化分解水產生氫氣。 實驗中,利用溶液合成法製備出親水性的FeS2,摻雜P25 (TiO2),進行高溫硫化鍛燒步驟,使FeS2與TiO2能更緊密的結合。所得到的複合材料光觸媒在加入犧牲試劑後進行光照反應(光源:Mercury arc lamp, 強度:400W),在不同的實驗條件下:光觸媒比例、犧牲試劑、溶液pH值…等,偵測照光後產氫效果,其最佳條件為FeS2-TiO2 (1:1),犧牲試劑為MeOH/H2O (1:1),pH值為7,產氫速率為373 mole h-1 g-1。相較於單純P25,產氫速率提升約20倍。更重要的,FeS2-TiO2具有好的光催化產氫效果,主要是因為FeS2材料吸收較TiO2廣,可吸收波長為可見光的部份,進而增加產氫之效率。 在此研究中,我們呈現出以地球含量多且非毒性的二硫化鐵(FeS2)結合二氧化鈦(TiO2)作為複合材料光觸媒,經由硫化步驟優化FeS2-TiO2複合材料,且不須藉由任何貴金屬做助催化劑,就能有效達到分解水的產氫效果。Item 功能化奈米半導體硫化亞銅/球型氫氧化鎳粒子使用於光催化水分解產氫的應用(2013) 林庭億; Ting-Yi Lin利用太陽光進行光催化水分解產氫的研究近年來越來越受重視,水分解產氫配合儲氫材料的發展被視為解決能源問題的一大方法。此方法主要是利用具有合適能隙(bandgap)半導體粒子當作光觸媒材料吸收太陽光,半導體粒子價帶(valence band)上的電子吸收能量之後躍遷到傳導帶(conduction band)上,原本價帶上產生一電洞(h+)達到電子電洞對分離,吸收能量後躍遷的電子和水中的氫離子反應,產生的電洞亦被傳遞到表面和水反應產生氧氣,一般情況下我們會加入一犧牲試劑將電洞消耗掉,以避免電子電洞對快速的再結合。 Cu2S硫化亞銅為一P型半導體材料,且早已被運用於光催化降解水汙染方面上的研究,另外它具有較小的bandgap(1.5eV),和水的還原電位(1.23ev)極為接近,但卻沒有使用來做水分解方面的應用。Ni(OH)2常被使用於鋰電池和鎳氫電池的cathode材料上,具有好的穩定度特性,近年來亦有報導指出氫氧化鎳在適當的條件之下可以當作催化材料,大幅度的增加光催化產氫的效率,其催化機制和目前已知的使用貴金屬沉積在半導體表面捕捉和傳遞電子的機制相異,主要為: Ni2+ /Ni (Ni2+ + 2e- → Ni, Eo = -0.23 V) (1) 2H+ + 2e- → H2, Eo = -0.00 V (2) 鎳二價離子會先和吸收光能重半導體粒子的價帶躍遷到傳導帶的電子反應,鎳被還原出來,如反應式(1),被還原出來的鎳開始扮演活性中心並傳導來自半導體粒子吸收光能產生的電子以還原水溶液中的氫離子產稱氫氣,如反應式(2)。氫氧化鎳的高催化效率以及和貴金屬(如:鉑)相比較為低廉的價格可望在將來被應用於共催化材料的應用方面。Item 魔術尺寸硒化鎘奈米團簇物及二維結構之合成、鑑定與應用(2016) 謝政穎; Hsieh, Cheng-Yin本研究探討低維度下奈米團簇物及二維結構硒化鎘之合成、結構及應用。在室溫下合成魔術尺寸的 (CdSe)13奈米團簇物,經由油胺進行剝離後,並以X光小角散射技術分析其形貌及大小,再藉由理論計算推測最穩定之構型加以佐證。在相同的合成條件下,進一步改變配位基(乙二胺、己二胺),可合成出具有高結晶性之二維結構硒化鎘,並在紫外光下可催化水分解產氫。透過穿透式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、原子力顯微鏡、紫外-可見光光譜儀、X光粉末繞射儀、X光吸收光譜、固態核磁共振儀、小角度X光散射等儀器之鑑定,理解魔術尺寸奈米團簇物與二維結構硒化鎘形貌結構、光學性質、晶相結構、化學環境、原子位置等重要特性。