Nocera blev ansat som assisterende professor ved Michigan State University i 1984 og blev fuldgyldig professor ved MSU i 1990.
Han flyttede til Massachusetts Institute of Technology som professor i kemi i 1997 og var W. M. KeckProfessor i energi (2002-2007) og Henry Dreyfus Professor of Energy (2007-2013). Han var direktør for Solar Revolution Project ved MIT, som blev grundlagt i 2008. Han blev meddirektør for Eni Solar Frontiers Center ved MIT, da det blev oprettet den 7. juli 2008.
I februar 2012 indvilligede Nocera i at flytte sin forskningsgruppe til Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved Harvard University i Cambridge, MA, hvor han blev Patterson Rockwood Professor of Energy.
Noceras hovedinteresseområder er biologisk og kemisk energiomdannelse med fokus på mekanismer på molekylært niveau og fotogenerering af brint og ilt. Hans arbejde med kunstig fotosyntese udspringer af hans grundforskning i mekanismerne for energiomdannelse i biologi og kemi, især dem, der involverer multielektroniske exciterede tilstande og proton koblet elektronoverførsel (PCET).
Nocera hævder, at en bedre forståelse af fotosynteseprocessen er afgørende for udviklingen af energistrategier, fordi solenergi har potentiale til at blive opskaleret til at opfylde energibehovet på lang sigt. Han understreger, at forskerne skal overveje økonomien i de materialer, de foreslår at bruge til energikilder og til lagringsteknologier, hvis de skal udvikle levedygtige energialternativer.
Multielektron exciterede tilstandeRediger
Noceras tidlige arbejde med to-elektronbindinger og multielektron exciterede tilstande anses for at have etableret nye paradigmer inden for kemi med exciterede tilstande. Idéen bag to-elektron-mixed-valens er, at enkelt-elektron-mixed-valens-forbindelser og to-elektron-mixed-valens-forbindelser kan være analoge: enkelt-elektron-mixed-valens-forbindelser kan reagere i et-elektron-trin, mens to-elektron-mixed-valens-forbindelser kan reagere i to-elektron-trin. Endvidere kan det forudsiges, at en to-elektronbinding kan give anledning til fire multielektroniske tilstande. Nocera og hans laboratorium har i stor udstrækning studeret de exciterede tilstande i metalkomplekser og klynger. To fotons excitationsspektrum af et snoet metal-metalkompleks med firedobbeltbinding fuldendte beskrivelsen af de fire nødvendige tilstande for den prototypiske firedobbeltbinding i et overgangsmetalkompleks.
Med udgangspunkt i ideerne om to-elektronernes blandede værdi har Heyduk og Nocera udviklet en lysdrevet molekylær fotokatalysator. Absorptionen af lys fik de to RhII-X-bindinger i en dirhodiumforbindelse til at bryde, hvilket resulterede i en aktiv rhodiumkatalysator, som var i stand til at reagere med halogenvandssyrer. Deres rapport fra 2001 om generering af H2 fra halogenhalssyre ved hjælp af en molekylær fotokatalysator anses for at have “åbnet døren” til fotokatalytisk produktion af brændstoffer.
Det kunstige bladRediger
I 2008 mente Nocera og postdoc Matthew Kanan at have taget et vigtigt skridt i retning af kunstig fotosyntese, da de skabte en anodeelektrokatalysator til oxidation af vand, der kunne opsplitte vand til brint- og iltgasser. Deres katalysator anvendte kobolt og fosfat, som er relativt billige og lettilgængelige materialer. Katalysatoren var i stand til at opdele vand til ilt og protoner ved hjælp af sollys og kunne potentielt kobles til en brintgasproducerende katalysator som f.eks. platin. Selv om katalysatoren gik i stykker under katalysen, kunne den reparere sig selv.
I 2009 dannede Nocera Sun Catalytix, en nystartet virksomhed, der skulle udvikle en prototype til et system til at omdanne sollys til lagringsbar brint, som kunne bruges til at producere elektricitet. Et sådant system ville kræve både teknologiske og kommercielle gennembrud for at skabe økonomisk levedygtige komponenter til brintlagring, solpaneler og brændselsceller. I oktober 2010 indgik Nocera en aftale med Tata Group of India om yderligere støtte til forskning og udvikling. Idealet var at skabe et selvstændigt minianlæg, der kunne levere nok “personlig energi” til at drive et lille hjem.
I 2011 meddelte Nocera og hans forskerhold, at de havde skabt det første praktiske “kunstige blad”: en avanceret solcelle på størrelse med et spillekort, der er i stand til at opspalte vand til ilt og brint med ti gange så stor effektivitet som den naturlige fotosyntese. Silicium-solcellen blev belagt med en tynd film af en koboltkatalysator på den ene side over en beskyttende membran, der forhindrer silicium i at blive oxideret, og en nikkelbaseret katalysator på den anden side, der skal opdele brint fra vand. Det kunstige blad var med på Time Magazines liste over de 50 bedste opfindelser i 2011.
Men i maj 2012 oplyste Sun Catalytix imidlertid, at selskabet ikke ville opskalere prototypen. Den overvejende faktor, der var afgørende for omkostningerne, nemlig opbygningen af den solcellebaserede infrastruktur, blev stadig anset for at være for dyr til at erstatte eksisterende energikilder. Nocera var angiveligt “skræmt af udfordringerne ved at bringe teknologien på markedet”. Ikke desto mindre fortsætter forskere på Harvard og andre steder med at undersøge mulighederne i det kunstige blad, idet de leder efter måder at reducere omkostningerne og øge effektiviteten på.
LavprisflowbatteriRediger
I håb om at udvikle et produkt, der hurtigere kunne bringes på markedet, fokuserede Sun Catalytix sin forretningsmodel på at udvikle et lavpris genopladeligt flowbatteri til brug for lagring i netskala og i kommerciel skala. I 2014 blev Sun Catalytix opkøbt af Lockheed Martin, fordi selskabet var interesseret i at bruge flowbatteriet i sit mikrogrid.
Proton-koblet elektronoverførselRediger
Det andet område, hvor Nocera anses for at være en pioner, er proton-koblet elektronoverførsel (PCET). Selv om han ikke var ophavsmand til idéen om, at elektronoverførsel og protonoverførsel kunne studeres som koblede processer, offentliggjorde han i 1992 en af de grundlæggende artikler, der demonstrerede en model for en sådan undersøgelse. Ved hjælp af Zn-porfyrin som donor og 3,4-dinitrobenzoesyre som acceptor påviste hans hold fotoekcitation af Zn-porfyrin og en elektronoverførselsproces ved hjælp af en hydrogenbinding. Dette illustrerede også anvendeligheden af denne fremgangsmåde som en model til undersøgelse af biologisk energiomsætning. PCET er blevet en vigtig teknik til at studere energiomsætning i biologiske processer på molekylært niveau.
Anden forskningRediger
Andre bidrag omfatter syntese af et S = 1/2 kagome-gitter, af interesse for studiet af spin-frustrationssystemer og ledningsmekanismer i superledere; udvikling af mikrofluidiske optiske kemosensorer til brug på mikro- og nanoskalaen; og molekylær tagging-velocimetri-teknikker (MTV).
Nocera har publiceret over 225 artikler. Han er medredaktør af Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Han har siddet i videnskabelige rådgivende bestyrelser og redaktionsudvalg for flere store virksomheder. Han var den første redaktør af Inorganic Chemistry Communications og var den første formand for redaktionsrådet for ChemSusChem.