Nocera s-a alăturat facultății Michigan State University în 1984 ca profesor asistent și a devenit profesor titular la MSU în 1990.
S-a mutat la Massachusetts Institute of Technology ca profesor de chimie în 1997, ocupând funcția de profesor W. M. KeckProfessor de energie (2002-2007) și profesor Henry Dreyfus de energie (2007-2013). A fost director al Proiectului Revoluției Solare de la MIT, fondat în 2008. A devenit co-director al Centrului Eni Solar Frontiers de la MIT atunci când acesta a fost creat la 7 iulie 2008.
În februarie 2012, Nocera a fost de acord să își mute grupul de cercetare la Departamentul de Chimie și Biologie Chimică al Universității Harvard din Cambridge, MA, unde a devenit profesor de energie Patterson Rockwood.
Arele majore de interes ale lui Nocera se referă la conversia energiei biologice și chimice, concentrându-se pe mecanismele la nivel molecular și pe fotogenerarea hidrogenului și a oxigenului. Activitatea sa privind fotosinteza artificială decurge din cercetările sale de bază privind mecanismele de conversie a energiei în biologie și chimie, în special cele care implică stări excitate multielectronice și transferul de electroni cuplat cu protoni (PCET).
Nocera susține că o mai bună înțelegere a procesului de fotosinteză este esențială pentru dezvoltarea strategiilor energetice, deoarece energia solară are potențialul de a se extinde pentru a satisface cererea de energie pe termen lung. El subliniază că oamenii de știință trebuie să ia în considerare aspectele economice ale materialelor pe care își propun să le folosească pentru sursele de energie și pentru tehnologiile de stocare, dacă vor să dezvolte alternative energetice viabile.
Stări excitate multielectroniceEdit
Lucrările timpurii ale lui Nocera privind legăturile cu doi electroni și stările excitate multielectronice sunt considerate ca fiind cele care au stabilit noi paradigme în chimia stărilor excitate. Ideea din spatele valențelor mixte cu doi electroni este că compușii cu valențe mixte cu un singur electron și compușii cu valențe mixte cu doi electroni pot fi analogi: compușii cu valențe mixte cu un singur electron pot reacționa în pași de un electron, în timp ce compușii cu valențe mixte cu doi electroni pot reacționa în pași de doi electroni. În plus, se poate prezice că o legătură cu doi electroni poate da naștere la patru stări multielectronice. Nocera și laboratorul său au studiat pe larg stările excitate ale complexelor și clusterelor metalice. Spectrul de excitație cu doi fotoni al unui complex metal-metal cu legătură cvadruplă răsucită a completat descrierea celor patru stări necesare pentru legătura cvadruplă prototipică a unui complex de metal de tranziție.
Plecând de la ideile privind valențele mixte cu doi electroni, Heyduk și Nocera au dezvoltat un fotocatalizator molecular acționat de lumină. Absorbția luminii a determinat ruperea celor două legături RhII-X ale unui compus de dirhodiu, rezultând un catalizator de rodiu activ care a fost capabil să reacționeze cu acizii hidrohalici. Raportul lor din 2001 privind generarea de H2 din acid halohalic cu ajutorul unui fotocatalizator molecular este considerat a fi „deschis ușa” către producția fotocatalitică de combustibili.
Frunza artificialăEdit
În 2008, se crede că Nocera și colegul său postdoctoral Matthew Kanan au făcut un pas important către fotosinteza artificială, când au creat un electrocatalizator anodic pentru oxidarea apei, capabil să scindeze apa în hidrogen și oxigen gazos. Catalizatorul lor a folosit cobalt și fosfat, materiale relativ ieftine și ușor de obținut. Catalizatorul a fost capabil să scindeze apa în oxigen și protoni folosind lumina soarelui și ar putea fi cuplat la un catalizator care produce hidrogen gazos, cum ar fi platina. Deși catalizatorul s-a defectat în timpul catalizei, acesta se putea repara singur.
În 2009, Nocera a înființat Sun Catalytix, un start-up pentru a dezvolta un proiect prototip pentru un sistem de conversie a luminii solare în hidrogen stocabil care ar putea fi folosit pentru a produce electricitate. Un astfel de sistem ar necesita progrese tehnologice și comerciale pentru a crea componente viabile din punct de vedere economic pentru stocarea hidrogenului, panouri solare și pile de combustie. În octombrie 2010, Nocera a semnat cu Grupul Tata din India pentru a sprijini în continuare cercetarea și dezvoltarea. Idealul era de a crea o instalație miniaturală autonomă capabilă să furnizeze suficientă „energie personalizată” pentru a alimenta o casă de mici dimensiuni. un astfel de dispozitiv ar putea furniza energie caselor din zone izolate, care în prezent sunt inaccesibile.
În 2011, Nocera și echipa sa de cercetare au anunțat crearea primei „frunze artificiale” practice: o celulă solară avansată de mărimea unei cărți de joc, capabilă să scindeze apa în oxigen și hidrogen cu o eficiență de zece ori mai mare decât cea a fotosintezei naturale. Celula solară din siliciu a fost acoperită cu o peliculă subțire de catalizator din cobalt pe o parte, peste o membrană protectoare pentru a împiedica oxidarea siliciului, și cu un catalizator pe bază de nichel pe cealaltă parte, pentru a descompune hidrogenul din apă. Frunza artificială a fost inclusă în lista celor mai bune 50 de invenții din 2011 a revistei Time.
Cu toate acestea, în mai 2012, Sun Catalytix a declarat că nu va extinde prototipul. Determinantul predominant al costului său, construcția infrastructurii fotovoltaice, a fost considerat în continuare prea scump pentru a înlocui sursele de energie existente. Nocera ar fi fost „descurajat de provocările legate de aducerea tehnologiei pe piață”. Cu toate acestea, cercetătorii de la Harvard și din alte părți continuă să investigheze posibilitățile frunzei artificiale, căutând modalități de reducere a costurilor și de creștere a eficienței.
Baterie de flux cu costuri reduseEdit
În speranța de a dezvolta un produs care să poată fi introdus mai rapid pe piață, Sun Catalytix și-a reorientat modelul de afaceri către dezvoltarea unei baterii de flux reîncărcabile cu costuri reduse pentru a fi utilizată în stocarea la scară de rețea și la scară comercială. În 2014, Sun Catalytix a fost achiziționată de Lockheed Martin, deoarece aceasta era interesată de utilizarea bateriei de flux în microrețeaua sa.
Transferul de electroni cuplat cu protoniEdit
Un alt domeniu în care Nocera este considerat un pionier este transferul de electroni cuplat cu protoni (PCET). Deși nu el a fost la originea ideii că transferul de electroni și transferul de protoni ar putea fi studiat ca procese cuplate, el a publicat una dintre lucrările fundamentale care demonstrează un model pentru un astfel de studiu în 1992. Utilizând porfirina Zn ca donator și acidul 3,4-dinitrobenzoic ca acceptor, echipa sa a demonstrat fotoexcitația porfirinei Zn și un proces de transfer de electroni care utilizează o legătură de hidrogen. Acest lucru a ilustrat, de asemenea, viabilitatea abordării ca model pentru studierea conversiei energiei biologice. PCET a devenit o tehnică importantă pentru studierea conversiei de energie în procesele biologice la nivel molecular.
Alte cercetăriEdit
Alte contribuții includ sinteza unei rețele kagome S = 1/2, de interes pentru studiul sistemelor cu frustrare de spin și a mecanismelor de conducere în supraconductori; dezvoltarea de chemosenzori optici microfluidici pentru utilizare la scară microscopică și nanometrică; și tehnici de velocimetrie prin marcare moleculară (MTV).
Nocera a publicat peste 225 de lucrări. Este coeditor al Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). A făcut parte din consiliile consultative științifice și din comitetele editoriale ale mai multor corporații mari. A fost editorul inaugural al Inorganic Chemistry Communications și a fost președintele inaugural al comitetului editorial pentru ChemSusChem.
.