化學系
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國立臺灣師範大學化學系座落於公館校區理學院大樓。本系成立於民國五十一年，最初僅設大學部。之後於民國六十三年、七十八年陸續成立化學研究所碩士班和博士班。本系教育目標旨在培養化學專業人才與中等學校自然及化學專業師資，授課著重理論及應用性。本系所現有師資為專任教授25人，另外尚有與中央研究院合聘教授3位，在分析、有機、無機及物理化學四個學門的基礎上發展跨領域之教學研究合作計畫。此外，本系另有助教13位，職技員工1位，協助處理一般學生實驗及行政事務。學生方面，大學部現實際共322人，碩士班現實際就學研究生共174人，博士班現實際就學共55人。
本系一向秉持著教學與研究並重，近年來為配合許多研究計畫的需求，研究設備亦不斷的更新。本系所的研究計畫大部分來自國科會的經費補助。此外，本系提供研究生獎助學金，研究生可支領助教獎學金（TA）、研究獎學金（RA）和部分的個別教授所提供的博士班學生獎學金（fellowships）。成績優良的大學部學生也可以申請獎學金。
本校圖書館藏書豐富，除了本部圖書館外，分部理學院圖書館西文藏書現有13萬餘冊，西文期刊合訂本有911餘種期刊，將近約3萬冊。此外，西文現期期刊約450種，涵蓋化學、生化、生物科技、材料及其他科學類等領域。目前本系各研究室連接校園網路，將館藏查詢、圖書流通、期刊目錄轉載等功能，納入圖書館資訊系統中，並提供多種光碟資料庫之檢索及線上資料庫如Science Citation Index，Chemical Citation Index，Chemical Abstracts，Beilstein，MDL資料庫與STICNET全國科技資訊網路之查詢。
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Item 探討應力效應對鐵修飾石墨相氮化碳電催化氧氣還原反應之影響(2025) 許思玲; Hsu, Sih-LingItem 調節氮化硼材料活性以增強尿素氧化反應的選擇性和反應性—DFT 研究(2025) 郭芸安; Kuo, Yun-An本研究執行於微觀層次上分析氮化硼 (BN) 材料在尿素氧化反應中的吸附行為，並以富含缺陷與金屬摻雜的組織性 BN 線型與粒子型材料為研究對象。我們選用具備較高工程適用性的密度泛函理論 (DFT) 進行系統性先驗分析，並分別估算B12N12、B24N24、平面 h-BN、N 缺陷 h-BN 及鎳摻雜系統的結構穩定性、電子結構、吸附能與反應自由能變化。研究結果顯示，相較於 B12N12 與 B24N24 平面型的h-BN基材經N缺陷修飾後能顯著降低反應步驟的自由能變化，並提升電子傳輸能力與中間體的穩定吸附能力，是提升UOR能效的關鍵修飾策略。尿素分子在此系統中作為反應前驅步驟的關鍵吸附物，其吸附構型與結構合理性對後續反應的自由能具顯著影響。此外，我們亦考察金屬Ni在N缺陷中摻雜的可能性，並分析其對吸附能與UOR反應的正負面影響。儘管Ni可提供穩定且對稱的吸附配位結構，然而其強鍵結特性可能限制中間體的結構重組與質子轉移，使反應電位決定步驟之能障上升，降低整體反應效能。與先前文獻所述Ni-O-Ni結構的選擇性缺陷相符，說明金屬摻雜未必一定能促進催化反應。透過N缺陷工程修飾之平面h-BN在結構可調性、電子活化與反應動力學上皆展現卓越潛力。其具備原料豐富、製程簡易與環保應用潛力，有望應用於未來綠色能源轉換與尿素污染治理，提供新穎且可行之材料設計路徑。Item 共聚物和兩性離子聚合物之離子液體的動力學模擬分析(2025) 張力仁; Chang, Li-Zen能源議題一直以來都是科學家在探究的一個領域，從石化能源到綠色能源都有各式各樣的研究，而能源也帶來了很多環境相關的議題，其中溫室效應與氣候變遷是最常見的問題。為了因應這些問題，如何開源節流就是一個值得我們去研究的問題。在各種能源出現，研究各種發電成本、環境影響，轉換效率等情況中，如何能夠有效利用目前的電量亦即吾人可一併探討的問題，而人類生活中最常使用的能源即電能，最主要的儲存方式電池就是本篇文章探討的重點。近年來，離子液體因為其低的蒸氣壓、廣泛的液態範圍、可調節的性質、廣泛的溶解性和高穩定性等特性而受到各領域的推崇與研究，而離子液體在電池系統中可以扮演多個角色，如: 電解質、薄膜、溶劑、儲存電能等，同時離子液體也被視為綠色溶液，並且可以增加電池的效能、安全性、容量、能量密度、摺疊性、彎曲性等優越的條件。本文將探討兩種類型的聚離子液體:1. 共聚物(Copolymer )2. 兩性離子聚合物(Zwitterionic Polymer)之動力學模擬分析，先用Gaussian軟體建立單體模型並進行量子力學的密度泛函理論(DFT)優化，然後擴建為兩種聚合物模型，並以Tinker軟體進行古典力學的分子動力學(MD)模擬，並探討其不同溫度(300 K、350 K、400 K)、環境(純水、增加電解質使溶液密度增加、增加電解質的同時保持密度固定)下對水的根均方位移(R MSD)、擴散係數，以及用VMD軟體分析其徑向分佈函數(RDF)，來探討系統內的原子距離與作用力等關係，並綜合以上數據，來推測兩種聚離子液體的效率以及適合的環境等。Item 第一原理模擬在材料開發的應用：(I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析，(II) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析，以及 (III) 電場於顯式溶劑之電化學模擬(2023) 廖振成; Liao, Chen-Cheng在材料科學與凝態物理領域不斷演進中，第一原理模擬已經在方法上具有非常重要的地位。這些模擬由量子力學出發，不依靠經驗參數，為我們提供了在微觀尺度上研究材料原子組成和電子性質的方式。第一原理模擬不僅提供了實驗上無法觀測到的微觀現象，也在於它們具有普遍地提供預測能力。隨著人工智慧(AI)的出現，AI驅動的算法與基於第一原理的模擬之間的協同作用已帶來了加速材料發現和設計的新時代。這種融合不僅有助於了解複雜現象，並有助於促進新一代設備的設計。基於第一原理的模擬和AI的緊密結合不僅是互補的；它正在革命性地改變我們在21世紀如何接近、理解和利用材料的潛力。第一部分 (I) 錫碘化物鈣鈦礦的介電性質分析 錫基鈣鈦礦是一種非常有潛力的材料，用以取代傳統具有毒性的鹵化鉛鈣鈦礦，但其不穩定性限制了其發光性能。然而，二維的錫基鈣鈦礦能夠提升激子束縛能進而提升光致發光量子產率(PLQY)。除此之外，二維錫基鈣鈦礦中的有機層與無機層之介電常數差異亦會影響機子束縛能。本篇將透過密度泛函理論探討以下二維錫基鈣鈦礦：(TEA)2SnI4, (PEA)2SnI4, (p-FPEA)2SnI4, (p-ClPEA)2SnI4 以及(p-BrPEA)2SnI4之介電常數，並探討其與PLQY之關係。其結果顯示改變陽離子組成，並不會大幅地影響陽離子層之介電常數，反而會誘導陰離子層的介電常數產生變化。 第二部分 (II) 電場於顯式溶劑之電化學模擬 本研究系統性評估了對Cu(111)表面上電化學CO二聚化的顯式溶劑模型。在存在吸附物和銅表面的情況下，對溶劑的組成在室溫下進行了分子動力學採樣。本研究通過考慮引入外加平板電場，對CO二聚化反應路徑上的能量和功函數進行探討。我們觀察到，即使在引入外加電場的情況下，使用定電位修正，CO二聚化過程的活化能和反應能仍然保持相近的數值，分別約為0.95電子伏特和0.35電子伏特。這一發現在顯式溶劑模擬下，再次確認了CO二聚化主要是一個由熱驅動的過程。此外，引入外加電場範圍從+0.2 V/Å到-0.2 V/Å，在pH = 7條件下，導致有效的電化學電位相對於標準氫電極從+1.766 V變化到-0.565 V。第三部分 (III) 銅單原子催化劑在鈀表面上的動力學分析 本研究焦點是通過在Pd(111)表面上之單原子銅催化劑進行電化學CO和CHO耦合過程，探討C-C鍵形成進行計算。我們發現了過程中穩定的中間體，即[CuO2](CO)2，在暴露於CO氣體分子時被視為一種四牙和四面體的中間產物。在本篇電化學計算中，將CO團氫化為CHO的能量需求為0.87電子伏特，其低於常規Cu表面相應步驟的能量。本研究觀察到從頂層Pd原子到吸附物分子的電荷轉移效應，尤其是在過渡態處。這一現象導致了0.67電子伏特的C-C鍵形成能障。此外，C-C鍵形成的為放熱反應，為-0.21電子伏特，代表了利於生成C-C鍵的化學平衡條件。最後，由動力學建模分析討論氣體分子(CO、CO2、O2)的溫度和壓力影響，我們發現[CuO2]*(CO)2中間體在室溫下大量存在，並在乾燥的環境條件下表現出很好的化學耐受性。Item 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。Item 以密度泛函理論計算改良鹼性析氫反應之描述符(2022) 顏宏宇; Yen, Hung-Yu在過去的研究中，酸性的析氫反應只需計算氫的吸附自由能(∆GH*)，即可決定催化劑的好壞。在本篇研究中，我們利用3個鹼性析氫反應中最重要的參數：氫的吸附自由能(∆GH*)、氫氧根的吸附自由能(∆GoH*)、水解離活化能(Ea(water))，繪製出雷達圖，建構出一個簡單、有用的方法，來判斷較為複雜的鹼性析氫反應活性。一開始，本篇研究先計算單金屬銀(Ag)、金(Au)、鈷(Co)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉑(Pt) (皆為FCC (111)面)，並數繪製成雷達圖，與文獻值的交換電流密度對數(log i0)繪製成散佈圖後，發現兩者呈現高度正相關，代表雷達圖面積可以很好的對應鹼性析氫反應的活性。接著，本篇研究測試了以鉑(Pt)和鈀(Pd)為基底的雙金屬催化劑：Pt3M、PtM、Pd3M、PdM (M = Ag、Au、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru)，並且將雷達圖面積與功函數比較後，發現兩者呈線高度正相關，代表功函數也可以代表活性，並且以鉑(Pt)為基底的雙金屬催化劑的活性高於以鈀(Pd)為基底的雙金屬催化劑，其中又以Pt3Au為最高。最後，本篇研究也計算了非金屬催化劑Fe3O4(220)及FeP(111)，繪製出雷達圖後，其活性趨勢為FeP(111)> Fe3O4(220)，與實驗中磷化物的活性高於氧化物的趨勢相符。Item 產氫反應機制與活性在鈷鐵磷化物上的計算與實驗研究(2022) 廖振廷; Liao, Chen-Ting氫氣燃料作為取代化石燃料成為下一代符合永續發展的能源，以電解水方式進行析氫反應可以說是一種有效且可行的產氫方式，本篇研究以非貴金屬材料CoP、FeP和CoFeP作為反應觸媒，分析其反應機制並利用雙金屬的摻雜增進析氫活性。本篇研究第一部分以常見的方法以氫吸附能分析析氫活性，利用氫原子在真空下吸附於觸媒表面計算吸附能，我們以Ag、Au、Co、Cu、Ni 、Pd、Pt、Rh確認吸附能與析氫反應電流的火山圖趨勢，接者以相同方式探討CoP、FeP和CoFeP，發現CoFeP由於Co-Fe雙金屬摻雜影響電子結構，確實有著更好的吸附能(ΔGH*≈0)。除此之外’，我們對於火山圖趨勢中Cu的偏移，我們利用含水層的模型計算其反應的活化能以及電位改變對電子轉移過程的影響，成功解釋了Cu不在火山圖趨勢的原因。利用這個方法，我們發現CoFeP在速率決定步驟Volmer step的活化能低於CoP、FeP，因此我們認為在計算上CoFeP會有更好的析氫活性。最後，我們利用實驗確認CoP、FeP和CoFeP的電化學活性，以共沉澱法和化學氣相沉積合成，再以SEM、EDX、XRD、XPS確認觸媒之晶粒大小皆為6~8 nm，且都為均勻的純相磷化物，透過電化學方法，我們測得CoFeP有更好的電化學活性，在10毫安電流的過電位為50 mV以及117 mV/dec的塔菲爾斜率，在排除活性面積的增加改變電流，我們確認了雙金屬在觸媒間的互相影響不只增強了化學穩定度，也確實增加了反應活性。Item 利用密度泛函理論計算方法探討二氧化碳還原反應在銅與金銀鋅合金及銅氧化物的催化反應機制(2021) 陳安潔; Chen, An-Jie化石燃料的過度使用導致二氧化碳含量不斷上升，危害了我們的環境及改變我們的氣候，因此有效地降低及利用二氧化碳是刻不容緩的議題。本篇研究我們將藉由密度泛函理論計算方法系統性地探討二氧化碳還原反應在以銅為基底之電催化劑其催化反應機制。在本篇研究的第一部分，我們探討了二氧化碳還原反應在銅金合金、銅銀合金以及銅鋅合金等雙金屬催化劑生成一氧化碳的反應機制。結果顯示透過應變效應及配位基效應的作用下，可以改變重要中間產物COOH、CO及H的吸附能，進而改變反應催化效果。在這些雙金屬催化劑之中，銅金合金能有效地提升COOH吸附能及降低CO及H的吸附能，提升二氧化碳還原反應及降低產氫反應的進行，且透過相同機制，我們發現銅銀鋅三元合金比二元合金又能有更好的催化效果。在本篇研究的第二部分，我們則是探討二氧化碳還原反應在以氧修飾之銅催化劑利用碳碳耦合形成二碳產物之反應機制。我們在此詳細地探討二氧化碳還原形成OCCHO中間產物在純銅(111)表面，以及當含有表面氧或含有次表面氧的銅表面之可能反應的路徑。結果顯示次表面氧的加入可以有效地提升反應的活性，然而表面氧反而會降低反應活性，其提升或降低催化活性的主要原因為表面銅價態的改變所造成。Item 二氧化碳氫化反應、Fischer-Tropsch 合成反應在M(111) (M = Fe、W) 表面之理論計算研究(2011) 李涵榮; Li, Han-Jung摘 要 第一部分 : 二氧化碳在Fe(111) 及W(111) 表面氫化反應探討 我們使用密度泛函理論來研究二氧化碳在Fe(111)及W(111) 表面的氫化反應，包括: 產物的結構、吸附能並計算氫化反應之位能圖。計算結果顯示，在Fe(111) 及W(111) 表面，二氧化碳的氫化反應有很相似的路徑，但在能量上卻有很大的不同。在Fe(111)表面，氫化產生Formate (HCOO) 和Carboxyl (COOH) 的反應能障分別為0.72 和1.75 eV，在W(111)表面則為0.79 和 2.91 eV。兩者都傾向生成Formate (HCOO-vertical) 產物。而Formate後續的氫化反應，結果顯示在Fe 及W表面都不傾向產生甲酸，而若要產生甲醇，則速率決定步驟在兩表面皆為最後一個氫化步驟，CH3O + H → CH3OH，反應能障分別為1.71 eV(Fe) 和2.18 eV(W)。為了瞭解吸附物和表面的交互作用，我們也提出電子結構等相關資訊輔以討論。 第二部分 : Fischer-Tropsch合成反應在Fe(111) 及W(111) 表面可能的反應機構探討 我們使用密度泛函理論來研究Fischer-Tropsch合成反應在Fe(111)及W(111) 表面可能的反應機制，其中包括CO的活化反應、CHx (x = 0~3) 的氫化反應及C-C單體結合反應。結果顯示不論在Fe(111)或W(111)表面，CO並不會直接斷C-O鍵，反而傾向先和表面的H原子進行氫化反應，生成中間物CHO，接著才解離C-O鍵。 CHx (x = 0~3)的選擇性，在Fe(111) 及W(111)表面，皆以CH佔大多數。最後，在Fe(111)表面，C-C 單體結合反應，傾向以CH + CH的方式進行，反應能障為0.54 eV。而在W(111)表面則可能以CO + CH 或CH + CH方式進行，能障分別為0.26 eV 和0.35 eV。為了瞭解吸附物和表面的交互作用，我們也提出電子結構等相關資訊輔以討論。Item 利用理論計算探討Non-Innocent Ligand和Innocent Ligand應用在Ruthenium系統之水氧化反應的差異性(2012) 楊于薇; Yu-Wei Yang由文獻中得知Non-Innocent Ligand（NIL）有多變的電子特性，而第一個應用NIL在催化劑的是Tanaka等人所合成出的雙核催化劑，此結構為[Ru2(OH)2(3,6-tBu2Q)2(btpyan)]2+ (tBu2Q, 3,6-di-tert-butyl-1,2-benzoquinone; btpyan, 1,8-bis(2,2′:6′,2′′-terpyridyl)anthracene)，發現turnover高達33,500並能夠產生出氧氣，而後Meyer等人利用單核催化劑[Ru(OH2)(Bpm)(tpy)]2+ (Bpm, 2,2'-bipyrimidine; tpy, 2,2':6',2"-terpyridine)證明只要單核催化劑就足夠將水氧化成氧氣，所以本篇利用電子結構、能量與吸收光譜圖分析NIL應用在Ruthenium單核催化劑上並與Innocent Ligand做比較，探討應用在Meyer所假設的水氧化反應機制之差異性。本篇研究結果發現NIL的特性能穩定中心金屬，分散金屬中心的電荷密度使之分子能量降低，因此Pourbaix Diagram相對於Innocent Ligand有多種結構存在於水溶液中，之後本篇藉由吸收光譜圖發現Meyer等人假設[RuV-O]3+的結構可能為[RuV(═O)(OH2)(tpy)(Bpm)]3+，另外Ru-NIL的催化劑從Ru(dπ)+Qn(π*)至Qn(π*)-Ru(dπ)的transition為MLCT且所需的能量相較於Innocent Ligand較低，還有藉由[RuV(═O)(OH2)]3+的吸收光譜圖觀察到H2O(pσ)上的電子激發至Ru(dπ*)+O(pπ*)+H2O(pσ*)的波長範圍在450-500 nm左右，Ru-NIL電子躍遷的能量較低且在可見光區內，或許在實驗中除了水溶液的酸鹼性和電壓外，可見光也能夠幫助此催化劑與H2O形成O-O鍵並完成催化循環，這個電子轉移的訊號或許可以透過以Transient Absorption Spectrum的方式，被利用來觀察O-O鍵形成的動力學光譜測量。
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