Nocera se incorporó a la facultad de la Universidad Estatal de Michigan en 1984 como profesor asistente, y se convirtió en profesor titular de la MSU en 1990.
Se trasladó al Instituto Tecnológico de Massachusetts como profesor de química en 1997, ejerciendo como profesor de energía W. M. Keck (2002-2007) y profesor de energía Henry Dreyfus (2007-2013). Fue director del Proyecto Revolución Solar del MIT, fundado en 2008. Se convirtió en codirector del Eni Solar Frontiers Center del MIT cuando se creó el 7 de julio de 2008.
En febrero de 2012, Nocera aceptó trasladar su grupo de investigación al Departamento de Química y Biología Química de la Universidad de Harvard en Cambridge, MA, donde se convirtió en el Patterson Rockwood Professor of Energy.
Las principales áreas de interés de Nocera son la conversión de energía biológica y química, centrándose en los mecanismos a nivel molecular y la fotogeneración de hidrógeno y oxígeno. Su trabajo sobre la fotosíntesis artificial surge de su investigación básica sobre los mecanismos de conversión de energía en biología y química, en particular los que implican estados excitados multielectrónicos y la transferencia de electrones acoplada a protones (PCET).
Nocera sostiene que una mejor comprensión del proceso de fotosíntesis es esencial para el desarrollo de estrategias energéticas, ya que la energía solar tiene el potencial de ampliarse para satisfacer las demandas de energía a largo plazo. Subraya que los científicos deben tener en cuenta la economía de los materiales que proponen utilizar para las fuentes de energía y para las tecnologías de almacenamiento, si quieren desarrollar alternativas energéticas viables.
Estados excitados multielectrónicosEditar
Se considera que los primeros trabajos de Nocera sobre los enlaces de dos electrones y los estados excitados multielectrónicos han establecido nuevos paradigmas en la química de los estados excitados. La idea detrás de la valencia mixta de dos electrones es que los compuestos de valencia mixta de un solo electrón y los de valencia mixta de dos electrones pueden ser análogos: los compuestos de valencia mixta de un solo electrón pueden reaccionar en pasos de un electrón, mientras que los compuestos de valencia mixta de dos electrones pueden reaccionar en pasos de dos electrones. Además, se puede predecir que un enlace de dos electrones da lugar a cuatro estados multielectrónicos. Nocera y su laboratorio han estudiado ampliamente los estados excitados de los complejos y cúmulos metálicos. Two Photon Excitation Spectrum of a Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex (Espectro de excitación de dos fotones de un complejo metálico de enlace cuádruple trenzado) completó la descripción de los cuatro estados necesarios para el enlace cuádruple prototípico de un complejo de metal de transición.
A partir de las ideas de la valencia mixta de dos electrones, Heyduk y Nocera desarrollaron un fotocatalizador molecular impulsado por la luz. La absorción de la luz provocó la ruptura de los dos enlaces RhII-X de un compuesto de dirhodio, lo que dio lugar a un catalizador de rodio activo capaz de reaccionar con ácidos hidrohalinos. Se considera que su informe de 2001 sobre la generación de H2 a partir del ácido halohálico utilizando un fotocatalizador molecular «abrió la puerta» a la producción fotocatalítica de combustibles.
La hoja artificialEditar
En 2008, se cree que Nocera y su becario postdoctoral Matthew Kanan dieron un paso importante hacia la fotosíntesis artificial, cuando crearon un electrocatalizador anódico para la oxidación del agua, capaz de dividirla en gases de hidrógeno y oxígeno. Su catalizador utilizaba cobalto y fosfato, materiales relativamente baratos y fáciles de obtener. El catalizador era capaz de dividir el agua en oxígeno y protones utilizando la luz solar, y podría acoplarse a un catalizador productor de gas hidrógeno como el platino. Aunque el catalizador se rompía durante la catálisis, podía repararse a sí mismo.
En 2009, Nocera formó Sun Catalytix, una startup para desarrollar un prototipo de diseño para un sistema que convirtiera la luz solar en hidrógeno almacenable que pudiera utilizarse para producir electricidad. Este sistema requeriría avances tecnológicos y comerciales para crear componentes económicamente viables para el almacenamiento de hidrógeno, paneles solares y pilas de combustible. En octubre de 2010, Nocera firmó con el Grupo Tata de la India para seguir apoyando la investigación y el desarrollo. El ideal era crear una planta autónoma en miniatura capaz de proporcionar suficiente «energía personalizada» para alimentar una pequeña casa.Un dispositivo de este tipo podría proporcionar energía a los hogares en zonas aisladas que actualmente son inaccesibles.
En 2011, Nocera y su equipo de investigación anunciaron la creación de la primera «hoja artificial» práctica: una célula solar avanzada del tamaño de un naipe, capaz de dividir el agua en oxígeno e hidrógeno con una eficiencia diez veces superior a la de la fotosíntesis natural. La célula solar de silicio se recubrió con una fina película de catalizador de cobalto en una cara, sobre una membrana protectora para evitar que el silicio se oxidara, y un catalizador a base de níquel en la otra cara, para dividir el hidrógeno del agua. La hoja artificial apareció en la lista de los 50 mejores inventos de 2011 de la revista Time.
Sin embargo, en mayo de 2012, Sun Catalytix declaró que no ampliaría el prototipo. El determinante predominante de su coste, la construcción de la infraestructura fotovoltaica, seguía considerándose demasiado caro para desplazar las fuentes de energía existentes. Al parecer, Nocera se sintió «intimidado por los retos de llevar la tecnología al mercado». No obstante, los investigadores de Harvard y de otros lugares siguen investigando las posibilidades de la hoja artificial, buscando formas de reducir los costes y aumentar la eficiencia.
Batería de flujo de bajo costeEditar
Con la esperanza de desarrollar un producto que pudiera introducirse más rápidamente en el mercado, Sun Catalytix reorientó su modelo de negocio hacia el desarrollo de una batería de flujo recargable de bajo coste para su uso en el almacenamiento a escala de red y comercial. En 2014, Sun Catalytix fue adquirida por Lockheed Martin, porque estaba interesada en utilizar la batería de flujo en su microrred.
Transferencia de electrones acoplada a protonesEditar
La otra área en la que Nocera es considerado un pionero es la transferencia de electrones acoplada a protones (PCET). Aunque no fue él quien originó la idea de que la transferencia de electrones y la transferencia de protones pudieran estudiarse como procesos acoplados, publicó en 1992 uno de los artículos fundacionales que demostraba un modelo para dicho estudio. Utilizando la porfirina de Zn como donante y el ácido 3,4- dinitrobenzoico como aceptor, su equipo demostró la fotoexcitación de la porfirina de Zn y un proceso de transferencia de electrones utilizando un enlace de hidrógeno. Esto también ilustró la viabilidad del enfoque como modelo para estudiar la conversión de energía biológica. La PCET se ha convertido en una técnica importante para estudiar la conversión de energía en los procesos biológicos a nivel molecular.
Otras investigacionesEditar
Otras contribuciones incluyen la síntesis de una red kagome S = 1/2, de interés para el estudio de los sistemas frustrados por el espín y los mecanismos de conducción en los superconductores; el desarrollo de quimiosensores ópticos microfluídicos para su uso en la microescala y la nanoescala; y técnicas de velocimetría de marcado molecular (MTV).
Nocera ha publicado más de 225 artículos. Es coeditor de Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Ha formado parte de consejos científicos y editoriales de varias grandes empresas. Fue el editor inaugural de Inorganic Chemistry Communications, y fue el presidente inaugural del consejo editorial de ChemSusChem.