Nocera trat 1984 als Assistenzprofessor in die Fakultät der Michigan State University ein und wurde 1990 ordentlicher Professor an der MSU.
1997 wechselte er als Chemieprofessor an das Massachusetts Institute of Technology, wo er als W. M. Keck-Professor für Energie (2002-2007) und Henry-Dreyfus-Professor für Energie (2007-2013) tätig war. Er war Direktor des 2008 gegründeten Solar Revolution Project am MIT. Am 7. Juli 2008 wurde er zum Co-Direktor des Eni Solar Frontiers Center am MIT ernannt.
Im Februar 2012 wechselte Nocera mit seiner Forschungsgruppe an das Department of Chemistry and Chemical Biology der Harvard University in Cambridge, MA, und wurde dort Patterson Rockwood Professor of Energy.
Noceras Hauptinteressen liegen in der biologischen und chemischen Energieumwandlung, wobei er sich auf Mechanismen auf molekularer Ebene und die Photoerzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff konzentriert. Seine Arbeiten zur künstlichen Photosynthese sind aus seiner Grundlagenforschung zu den Mechanismen der Energieumwandlung in Biologie und Chemie hervorgegangen, insbesondere zu den Mechanismen, bei denen angeregte Zustände mit mehreren Elektronen und der protonengekoppelte Elektronentransfer (PCET) eine Rolle spielen.
Nocera vertritt die Auffassung, dass ein besseres Verständnis des Photosyntheseprozesses für die Entwicklung von Energiestrategien unerlässlich ist, da die Solarenergie das Potenzial hat, den langfristigen Energiebedarf zu decken. Er betont, dass Wissenschaftler die Wirtschaftlichkeit der Materialien, die sie für Energiequellen und Speichertechnologien einsetzen wollen, berücksichtigen müssen, wenn sie praktikable Energiealternativen entwickeln wollen.
Multielektronen angeregte ZuständeEdit
Noceras frühe Arbeiten über Zwei-Elektronen-Bindungen und Multielektronen angeregte Zustände gelten als neue Paradigmen in der Chemie der angeregten Zustände. Die Idee hinter der Zwei-Elektronen-Mischvalenz ist, dass Ein-Elektronen-Mischvalenzverbindungen und Zwei-Elektronen-Mischvalenzverbindungen analog sein können: Ein-Elektronen-Mischvalenzverbindungen können in Ein-Elektronen-Schritten reagieren, während Zwei-Elektronen-Mischvalenzverbindungen in Zwei-Elektronen-Schritten reagieren können. Außerdem kann eine Zwei-Elektronen-Bindung zu vier multielektronischen Zuständen führen. Nocera und sein Labor haben die angeregten Zustände von Metallkomplexen und -clustern eingehend untersucht. Das Zwei-Photonen-Anregungsspektrum eines Metall-Metall-Komplexes mit verdrillter Vierfachbindung vervollständigte die Beschreibung der vier erforderlichen Zustände für die prototypische Vierfachbindung eines Übergangsmetallkomplexes.
Aufbauend auf den Ideen der gemischten Zwei-Elektronen-Valenz entwickelten Heyduk und Nocera einen lichtgesteuerten molekularen Photokatalysator. Durch die Absorption von Licht werden die beiden RhII-X-Bindungen einer Dirhodiumverbindung aufgebrochen, wodurch ein aktiver Rhodiumkatalysator entsteht, der mit Halogenwasserstoffsäuren reagieren kann. Ihr Bericht aus dem Jahr 2001 über die Erzeugung von H2 aus Halogensäure mit Hilfe eines molekularen Photokatalysators gilt als „Türöffner“ für die photokatalytische Herstellung von Kraftstoffen.
Das künstliche BlattEdit
Im Jahr 2008 gelang Nocera und seinem Postdoktoranden Matthew Kanan ein wichtiger Schritt in Richtung künstliche Photosynthese, als sie einen Anoden-Elektrokatalysator für die Oxidation von Wasser schufen, der in der Lage ist, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Als Katalysator verwendeten sie Kobalt und Phosphat, relativ preiswerte und leicht erhältliche Materialien. Der Katalysator war in der Lage, Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Protonen aufzuspalten, und könnte mit einem Wasserstoffgas erzeugenden Katalysator wie Platin gekoppelt werden. Obwohl der Katalysator während der Katalyse zusammenbrach, konnte er sich selbst reparieren.
Im Jahr 2009 gründete Nocera das Start-up-Unternehmen Sun Catalytix, um einen Prototyp für ein System zu entwickeln, das Sonnenlicht in speicherbaren Wasserstoff umwandelt, der zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Ein solches System würde sowohl technologische als auch kommerzielle Durchbrüche erfordern, um wirtschaftlich tragfähige Komponenten für Wasserstoffspeicher, Solarzellen und Brennstoffzellen zu schaffen. Im Oktober 2010 unterzeichnete Nocera einen Vertrag mit der indischen Tata-Gruppe zur weiteren Unterstützung von Forschung und Entwicklung. Das Ziel war die Entwicklung einer eigenständigen Miniaturanlage, die genügend „personalisierte Energie“ für ein kleines Haus liefern könnte, um Häuser in abgelegenen Gebieten, die derzeit nicht zugänglich sind, mit Strom zu versorgen.
Im Jahr 2011 gaben Nocera und sein Forschungsteam die Entwicklung des ersten praktischen „künstlichen Blattes“ bekannt: eine fortschrittliche Solarzelle von der Größe einer Spielkarte, die Wasser mit der zehnfachen Effizienz der natürlichen Photosynthese in Sauerstoff und Wasserstoff spalten kann. Die Silizium-Solarzelle wurde auf der einen Seite mit einem dünnen Film aus Kobalt-Katalysator über einer Schutzmembran beschichtet, um eine Oxidation des Siliziums zu verhindern, und auf der anderen Seite mit einem Katalysator auf Nickelbasis, um Wasserstoff aus Wasser zu spalten. Das künstliche Blatt wurde vom Time Magazine in die Liste der 50 besten Erfindungen des Jahres 2011 aufgenommen.
Im Mai 2012 erklärte Sun Catalytix jedoch, dass das Unternehmen den Prototyp nicht in größerem Maßstab herstellen werde. Der wichtigste Kostenfaktor, der Bau der Photovoltaik-Infrastruktur, wurde immer noch als zu teuer angesehen, um die bestehenden Energiequellen zu ersetzen. Nocera war Berichten zufolge „entmutigt von den Herausforderungen, die mit der Markteinführung dieser Technologie verbunden sind“. Nichtsdestotrotz untersuchen Forscher in Harvard und anderswo weiterhin die Möglichkeiten des künstlichen Blattes und suchen nach Möglichkeiten, die Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen.
Kostengünstige DurchflussbatterieEdit
In der Hoffnung, ein Produkt zu entwickeln, das schneller auf den Markt gebracht werden kann, richtete Sun Catalytix sein Geschäftsmodell auf die Entwicklung einer kostengünstigen wiederaufladbaren Durchflussbatterie für den Einsatz bei der Speicherung im Netz und im kommerziellen Maßstab aus. Im Jahr 2014 wurde Sun Catalytix von Lockheed Martin übernommen, weil das Unternehmen daran interessiert war, die Durchflussbatterie in seinem Mikronetz zu verwenden.
Protonengekoppelter ElektronentransferEdit
Ein weiterer Bereich, in dem Nocera als Pionier gilt, ist der protonengekoppelte Elektronentransfer (PCET). Zwar stammt die Idee, dass Elektronen- und Protonentransfer als gekoppelte Prozesse untersucht werden könnten, nicht von ihm, doch veröffentlichte er 1992 eine der grundlegenden Arbeiten, in der er ein Modell für eine solche Untersuchung vorstellte. Unter Verwendung von Zn-Porphyrin als Donor und 3,4-Dinitrobenzoesäure als Akzeptor zeigte sein Team die Photoanregung des Zn-Porphyrins und einen Elektronentransferprozess unter Verwendung einer Wasserstoffbrückenbindung. Dies veranschaulichte auch die Realisierbarkeit des Ansatzes als Modell für die Untersuchung biologischer Energieumwandlung. PCET hat sich zu einer wichtigen Technik zur Untersuchung der Energieumwandlung in biologischen Prozessen auf molekularer Ebene entwickelt.
Andere ForschungsarbeitenBearbeiten
Zu seinen weiteren Beiträgen gehören die Synthese eines S = 1/2 Kagome-Gitters, das für die Untersuchung von Spin-frustrierten Systemen und Leitungsmechanismen in Supraleitern von Interesse ist, die Entwicklung mikrofluidischer optischer Chemosensoren für den Einsatz auf der Mikro- und Nanoskala sowie Techniken der Molecular Tagging Velocimetry (MTV).
Nocera hat mehr als 225 Arbeiten veröffentlicht. Er ist Mitherausgeber von Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Er war Mitglied in wissenschaftlichen Beiräten und Redaktionsausschüssen mehrerer großer Unternehmen. Er war der erste Herausgeber von Inorganic Chemistry Communications und der erste Vorsitzende des Redaktionsausschusses von ChemSusChem.