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Karriere in der Wissenschaft: Yixiao Zhang

Science Stories: New Resources from Waste Products with Yixiao Zhang

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Yixiao Zhang ist Doktorandin in der Forschungsgruppe Physik der Energiewandlung und -speicherung von Prof. Aliaksandr Bandarenka. Sie Design Katalysatoren für elektrochemische Reaktionen. Bild: Astrid Eckert / TUM

Weltweit suchen Forschende nach Wegen, kontaminiertes Abwasser nachhaltig zu reinigen. Yixiao Zhang, Doktorandin an der TUM School of Natural Sciences, entwickelt Nanopartikel, die als hocheffiziente Katalysatoren wirken. Mit ihrer Hilfe lassen sich Abfallprodukte in neue und wertvolle Ressourcen wie den Düngemittelbestandteil Harnstoff umwandeln.

Wie lassen sich Schadstoffe in nützliche Materialien umwandeln – und dies mit möglichst wenig Energie? Mit dieser Frage beschäftigt sich die Elektrochemikerin Yixiao Zhang. Die gebürtige Chinesin kam 2013 nach Deutschland, um an der International School of Düsseldorf ihr International Baccalaureate zu absolvieren. Es folgten ein Bachelorstudium in Chemie in den Niederlanden und der Masterabschluss in Chemical Biotechnology am TUM Campus in Straubing. Seit März 2024 promoviert sie in der Gruppe von Prof. Dr. Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physics of Energy Conversion and Storage.

Energiearm statt energieintensiv

In ihrer Doktorarbeit arbeitet Yixiao an neuen Ansätzen, um chemische Prozesse energieeffizienter zu gestalten. Sie erforscht dafür Katalysatoren – Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Yixiaos Ziel: Schadstoffe wie Nitrate und Bikarbonate aus Abwässern zu entfernen, die Ökosysteme und Trinkwasser belasten. Gleichzeitig möchte sie diese in wertvolle Verbindungen wie Harnstoff umwandeln, einen zentralen Bestandteil vieler Düngemittel. Harnstoff gilt als der effizienteste feste Dünger auf dem Markt. Er wird weltweit für die Lebensmittelproduktion eingesetzt und daher in großen Mengen benötigt.

Die herkömmliche Harnstoffproduktion nach dem industriellen Bosch-Meiser-Verfahren verbraucht viel Energie und verursacht hohe CO2-Emissionen. Eine Alternative stellt die elektrochemische Synthese dar: Statt mit Hitze und hohem Druck werden hier chemische Reaktionen durch elektrischen Strom ausgelöst. Auf diese Weise lassen sich sowohl der Energieverbrauch als auch die CO2-Emissionen deutlich senken. Die Synthese so zu steuern, dass hauptsächlich Harnstoff produziert wird und möglichst wenige unerwünschte Nebenprodukte, stellt hierbei eine große Herausforderung dar.

Smarte Katalysatoren für höhere Selektivität

Katalysatoren können die Reaktion gezielt in Richtung Harnstoff lenken. Yixiao entwickelt solche Katalysatoren, die nur wenige Nanometer groß sind. „Ich möchte herausfinden, wie man Katalysatoren so aufbaut, dass sie bevorzugt Harnstoff erzeugen und Stickstoff nachhaltig nutzen“, erklärt Yixiao. Sie arbeitet dabei mit kupferbasierten Bimetallkatalysatoren, deren Struktur sie so verändert, dass sich Zwischenprodukte, die zu Harnstoff führen, stabilisieren lassen und möglichst wenige Energie verloren geht.

Langfristig könnten mit diesen effizienten Katalysatoren also Nitrate und Karbonate aus Abwasser entfernt und gleichzeitig wertvolle Ressourcen wie Harnstoff hergestellt werden – und damit zugleich Energie gespart, Emissionen reduziert und natürliche Ressourcen geschont werden.

Wissenschaft spielerisch erfahrbar machen

Neben ihrer Forschung engagiert sich Yixiao für Wissenschaftskommunikation und mag es, ihre Leidenschaft für Chemie mit der Öffentlichkeit zu teilen. Gemeinsam mit Kolleginnen aus dem Exzellenzcluster e-conversion und einem interdisziplinären Team der TUM hat sie ein interaktives Escape-Room-Spiel mitentwickelt. „Escape from Carbonia“ soll die Forschung an erneuerbaren Energien spielerisch erlebbar machen. 2025 hat das Spiel den Hochschulwettbewerb von „Wissenschaft im Dialog” gewonnen. Im Deutschen Museum und anderen öffentlichen Orten wie dem Kunstareal München sorgen Yixiao und ihr Team nun dafür, dass Wissenschaft nahbarer wird – und vor allem Spaß machen kann.

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