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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    利用理論計算探討金屬團簇還原二氧化碳的催化反應
    (2024) 張庭瑜; Chang, Ting-Yu
    二氧化碳(CO₂)還原反應在減少溫室氣體排放和生產可再生能源方面具有重要意義,由於CO₂分子本身的高穩定性,使其還原過程具有挑戰性。本研究利用理論計算方法,探討了金屬團簇在CO₂還原反應中的催化性能,選擇了幾種具有潛在催化能力的金屬團簇,如鈀(Pd)、和鈷(Co)等金屬,並對其結構和電子性質進行了密度泛函理論(DFT)計算,比較不同團簇與CO₂分子的吸附能及反應路徑,發現這些團簇在特定條件下能夠有效地活化CO₂分子。接著,研究了CO₂在這些金屬團簇表面的還原反應機理,並計算了各步驟的吸附能,結果顯示,Pd和Co團簇在還原CO₂的過程中都具有較高的催化活性,研究結果表明,適當的表面修飾和反應條件可以進一步提升金屬團簇的催化活性和選擇性。總結來說,本研究通過理論計算證明了金屬團簇在CO₂還原反應中的潛在應用價值,為設計高效、選擇性的CO₂還原催化劑提供了重要的理論依據。
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    一、藉由高活性之亞烷基前驅物通過催化型分子內威悌反應合成非那烯[1,2-b]呋喃酮及呋喃[3,2-c]喹啉酮二、透過分子內威悌或𝛽-醯化反應合成二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮或酮基官能化亞烷基茚二酮衍生物
    (2023) 張晴棻; Chang, Ching-Fen
    第一部分: 我們開發了一個以高活性之亞烷基前驅物做為起始物,、 來進行不需額外添加鹼 之催化型威悌反應。主要概念是加入芳基亞磺酸做為捕獲親核試劑(trapping reagent)來得到 3-芳碸烷基化合物,、 且能夠做在適當的反應條件下釋出穩定的 高活性亞烷基化合物,得以避免產生不必要的[2+1]副產物。 本部分的研究中,我們成功以 3-芳碸烷基非那烯酮及 3-芳碸烷基喹啉酮作為 起始物,並和磷、醯氯作用會合成出非那烯[1,2-b]呋喃酮和呋喃[3,2-b]喹啉酮。、 在優化的過程中,我們也發現可以透過溫度或是添加劑的調控能有助於反應的 進行,且在不需額外加入鹼的條件下及能獲得良好的產率,也進一步的推測: 反應中氧化磷被還原後得到的磷試劑不僅做為親核試劑和亞烷基化合物進行 加成,也做為鹼來推動去質子化的步驟順利地得到威悌產物。隨後我們也陸續 完成一些取代基效應的探討,研究其對電子效應或是立體效應的影響,並得到 更多樣性且結果良好的目標產物。 第二部分: 前半部是以二苯並環庚-5,7-二酮作為起始物,分別透過無鹼之催化行威悌反應 或是以三苯基磷誘導反應來得到二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮。開發了兩種方法, 催化條件則能節省試劑的用量、使得反應廢棄物回復到催化循環中繼續反應且 提供了一個更快速有效的合成策略;而誘導條件則是使用非常溫和、容易取得 且價格便宜的三苯基磷也提供了一個更簡易、好上手的合成策略。同時,也發 現此反應取代基耐受性好,也利用控制實驗來探討磷試劑在此反應做為親核試 劑也能作為鹼的功用。後半部分則是發展了以順序的一鍋化合成法,以炔酮先藉由 MBH 合環後,、 再 經由磷誘導的威悌反應或是𝛽-醯化來得到二苯並環庚[1,2-b]呋喃酮或是酮基官 能化亞烷基茚二酮衍生物。透過針對五和七環亞烷基化合物的研究,發現其結 構不同的反應活性,更拓展了這些化合物的合成策略。
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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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    三價鐵超氧化物催化與動力學研究之探討
    (2020) 林威呈; Lin, Wei-Cheng
    此研究使用本實驗室先前所開發之 N3O2 五牙基 H2BDPP,經去質子化後與 FeCl2 反應生成五配位二價鐵錯合物 Fe(BDPP) (1),並可將其與氧氣反應形成超氧化合物 Fe(BDPP)(O2•) (2),之後與 9,10-二氫蒽(9,10-dihydroanthracene, DHA) 行催化反應。錯合物 1 使用紫外-可見光光譜儀 (UV-Vis Spectroscopy) 及氣相層析質譜儀 (GasChromatography Mass Spectroscopy) 來追蹤反應過程和鑑定產物蒽(Anthracene)。在室溫下將錯合物 1 溶入四氫呋喃 (THF),並與氧氧在 -90 ℃ 形成錯合物 2,從紫外-可見光光譜儀可發現反應溶液在330 nm 具有特徵吸收峰。並將錯合物 2 當成催化劑進行 9,10-二氫蒽(DHA) 的催化,生成蒽 (Anthracene),使用氣相層析質譜儀鑑定產物及產率。最後計算出此反應的速率常數 (k2) 以及米氏常數 (KM) 。另一方面,使用電子順磁共振光譜儀 (Electron aramagnetic Resonance Spectrometer) 及紫外-可見光光譜儀來鑑定反應的中間體,並根據上述兩種儀器的鑑定結果,找出此催化反應最有可能的反應機構。
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    利用有機膦試劑作為催化劑對 1,3-二茚酮衍生物進行 β-位醯化反應 以查耳酮香豆素衍生物與醯氯試劑製備呋喃[3,2-c]香豆素衍生物:利用三丁基膦試劑誘導之一系列碳-醯化反應/合環反應 使用催化量三乙胺與膦試劑於化學選擇性的還原/Wittig 反應以合成高官能性的呋喃分子
    (2016) 李家睿; Lee, Chia-Jui
    第一部分,利用催化量的有機膦試劑、醯氯以及三乙胺對其 β 位置進行直接地醯化反應。此合成策略也成功應用於 α,β- 不飽和內酯與內醯胺以及各系列五員環分子。此外醯化產物亦可簡單地透過與疊氮試劑的反應製備成噠嗪衍生物。 第二部分,將查耳酮香豆素衍生物和醯氯試劑在三丁基膦的誘導下經由一系列有趣的中間體的形成而轉換成 phosphorus ylide,再透過配合的試劑進一步地製備各系列呋喃[3,2-c]香豆素衍生物。透過各種控制實驗的結果分析與探討成功地剖析此反應機制。 第三部分,將 10 mol % 氧化膦試劑透過矽烷試劑的還原,應用於早期本實驗室開發的呋喃製成方法。透過一連串試劑的調整以及物理條件的優化,成功地屏除副反應路徑的發生,結合一系列高化學選擇性的還原反應、Michael 反應、氧醯化反應以及 intramolecular Wittig 反應於此方法學。
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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。