Nocera aloitti Michiganin valtionyliopiston tiedekunnassa vuonna 1984 apulaisprofessorina, ja hänestä tuli MSU:n varsinainen professori vuonna 1990.
Hän siirtyi Massachusettsin teknologiainstituuttiin kemian professoriksi vuonna 1997, ja hän toimi W. M. Keckin energiaprofessorina (2002-2007) ja Henry Dreyfusin energiaprofessorina (2007-2013). Hän johti MIT:ssä vuonna 2008 perustettua Solar Revolution Project -hanketta. Hänestä tuli yksi MIT:n Eni Solar Frontiers Centerin johtajista, kun se perustettiin 7. heinäkuuta 2008.
Helmikuussa 2012 Nocera suostui siirtämään tutkimusryhmänsä Harvardin yliopiston kemian ja kemiallisen biologian laitokselle Cambridgessa, Massachusettsissa, jossa hänestä tuli Patterson Rockwood -professori energia-alalla.
Noceran tärkeimpiä kiinnostuksen kohteita ovat biologinen ja kemiallinen energiamuunnos, jossa hän keskittyy mekanismeihin molekyylitasolla sekä vedyn ja hapen fototuotantoon. Hänen työnsä keinotekoisen fotosynteesin parissa perustuu hänen perustutkimukseensa biologian ja kemian energiamuunnosmekanismeista, erityisesti niistä, joihin liittyy monielektronisia kiihdytystiloja ja protonikytkentäistä elektroninsiirtoa (proton coupled electron transfer, PCET).
Noceran mukaan fotosynteesiprosessin parempi ymmärtäminen on olennaisen tärkeää energiastrategioiden kehittämiseksi, koska aurinkoenergialla on potentiaalia skaalautua niin, että se pystyy vastaamaan pitkän aikavälin energiatarpeeseen. Hän korostaa, että tutkijoiden on otettava huomioon niiden materiaalien taloudellisuus, joita he ehdottavat käytettäväksi energialähteinä ja varastointitekniikoina, jos he aikovat kehittää toteuttamiskelpoisia energiavaihtoehtoja.
Monielektroniset kiihdytetyt tilatTiede
Noceran varhaisten töiden, jotka koskivat kahden elektronin sidoksia ja monielektronisia kiihdytettyjä olotiloja, katsotaan vakiinnuttaneen kiihdytettyihin olotiloihin liittyviä uusia paradigmoja. Kahden elektronin sekavalenssin ideana on, että yhden elektronin sekavalenssiyhdisteet ja kahden elektronin sekavalenssiyhdisteet voivat olla analogisia: yhden elektronin sekavalenssiyhdisteet voivat reagoida yhden elektronin vaiheissa, kun taas kahden elektronin sekavalenssiyhdisteet voivat reagoida kahden elektronin vaiheissa. Lisäksi kahden elektronin sidoksen voidaan ennustaa synnyttävän neljä monielektronista tilaa. Nocera ja hänen laboratorionsa ovat tutkineet laajasti metallikompleksien ja -klustereiden herätetiloja. Two Photon Excitation Spectrum of a Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex viimeisteli siirtymämetallikompleksin prototyyppisen nelinkertaisen sidoksen neljän tarvittavan tilan kuvauksen.
Kaksielektronisen sekaelektronisuuden ideoiden pohjalta Heyduk ja Nocera kehittivät valolla toimivan molekyylisen fotokatalyytin. Valon absorptio sai dirhodiumyhdisteen kaksi RhII-X-sidosta katkeamaan, jolloin saatiin aikaan aktiivinen rodiumkatalyytti, joka pystyi reagoimaan halogeenihappojen kanssa. Heidän vuonna 2001 tekemänsä raportin H2:n tuottamisesta halohaliinihaposta molekyylisen fotokatalyytin avulla katsotaan ”avanneen oven” polttoaineiden fotokatalyyttiselle tuotannolle.
Keinotekoinen lehtiEdit
Vuonna 2008 Noceran ja väitöskirjan jälkeisen tutkijakollegan Matthew Kananin uskottiin ottaneen tärkeän askeleen kohti keinotekoista fotosynteesiä luodessaan vedenpoistoon käytettävän anodisen elektrokatalyytin, joka kykeni jakamaan vettä vety- ja happikaasuiksi. Heidän katalysaattorinsa käytti kobolttia ja fosfaattia, jotka ovat suhteellisen edullisia ja helposti saatavissa olevia materiaaleja. Katalyytti pystyi jakamaan veden hapeksi ja protoneiksi auringonvalon avulla, ja se voitaisiin mahdollisesti yhdistää vetykaasua tuottavaan katalyyttiin, kuten platinaan. Vaikka katalyytti hajosi katalyysin aikana, se pystyi korjaamaan itsensä.
Vuonna 2009 Nocera perusti Sun Catalytix -nimisen startup-yrityksen, jonka tehtävänä oli kehittää prototyyppisuunnitelma järjestelmälle, jolla auringonvalo muunnetaan varastoitavaksi vedyksi, jota voitaisiin käyttää sähköntuotantoon. Tällainen järjestelmä vaatisi sekä teknologisia että kaupallisia läpimurtoja, jotta voitaisiin luoda taloudellisesti kannattavia komponentteja vedyn varastointiin, aurinkopaneeleihin ja polttokennoihin. Lokakuussa 2010 Nocera allekirjoitti intialaisen Tata Groupin kanssa sopimuksen tutkimus- ja kehitystyön tukemisesta edelleen. Ihanteena oli luoda itsenäinen pienoisvoimala, joka kykenisi tuottamaan riittävästi ”henkilökohtaista energiaa” pienen kodin virransyöttöön.
Vuonna 2011 Nocera ja hänen tutkimusryhmänsä ilmoittivat ensimmäisen käytännöllisen ”keinolehden” luomisesta: pelikortin kokoinen edistyksellinen aurinkokenno, joka kykenee jakamaan vettä hapeksi ja vedyksi kymmenkertaisella tehokkuudella luonnolliseen fotosynteesiin verrattuna. Pii-aurinkokenno päällystettiin toisella puolella ohuella kobolttikatalysaattorikalvolla, joka peitti suojakalvon, joka esti piitä hapettumasta, ja toisella puolella nikkelipohjaisella katalysaattorilla, joka jakoi vedestä vetyä. Keinolehti oli mukana Time-lehden vuoden 2011 50 parhaan keksinnön listalla.
Toukokuussa 2012 Sun Catalytix kuitenkin ilmoitti, ettei se aio laajentaa prototyyppiä. Sen kustannusten määräävää tekijää, aurinkosähköinfrastruktuurin rakentamista, pidettiin edelleen liian kalliina syrjäyttämään nykyisiä energialähteitä. Nocera oli tiettävästi ”pelästynyt teknologian markkinoille saattamiseen liittyviä haasteita”. Siitä huolimatta tutkijat Harvardissa ja muualla jatkavat keinolehden mahdollisuuksien tutkimista etsien keinoja kustannusten alentamiseksi ja tehokkuuden lisäämiseksi.
Edullinen virtausakkuEdit
Sun Catalytix suunnasi liiketoimintamallinsa uudelleen kehittämällä edullisen ladattavan virtausakun käytettäväksi sähköverkon mittakaavassa ja kaupallisessa mittakaavassa varastointiin. Vuonna 2014 Lockheed Martin osti Sun Catalytixin, koska se oli kiinnostunut käyttämään virtausakkua mikroverkossaan.
Protonikytketty elektroninsiirtoEdit
Toinen alue, jolla Noceraa pidetään edelläkävijänä, on protonikytketty elektroninsiirto (proton-coupled electron transfer, PCET). Vaikka hän ei keksinyt ajatusta siitä, että elektroninsiirtoa ja protoninsiirtoa voitaisiin tutkia kytkettyinä prosesseina, hän julkaisi yhden perustavanlaatuisista artikkeleista, joissa hän esitteli mallin tällaista tutkimusta varten vuonna 1992. Käyttämällä Zn-porfyriiniä luovuttajana ja 3,4-dinitrobentsoehappoa akseptorina hänen työryhmänsä osoitti Zn-porfyriinin valoherkistymisen ja vetysidettä hyödyntävän elektroninsiirtoprosessin. Tämä havainnollisti myös lähestymistavan käyttökelpoisuuden biologisen energiamuunnoksen tutkimisen mallina. PCET:stä on tullut tärkeä tekniikka, jolla tutkitaan energian muuntumista biologisissa prosesseissa molekyylitasolla.
Muu tutkimus Muokkaa
Muihin panoksiin kuuluu S = 1/2 kagome-ristikon synteesi, joka on kiinnostava spin-frustroitujen systeemien ja johtumismekanismien tutkimisessa suprajohteissa; mikrofluidisten optisten kemosensoreiden kehittäminen käytettäväksi mikro- ja nanomittakaavassa; ja molekyylitunnisteiden nopeusmittaustekniikat (molecular tagging velocimetry (MTV) techniques)
Nocera on julkaissut yli 225 artikkelia. Hän on yksi Photochemistry and Radiation Chemistry -teoksen (1998) päätoimittajista. Hän on toiminut useiden suuryritysten tieteellisissä neuvoa-antavissa toimikunnissa ja toimituskunnissa. Hän oli Inorganic Chemistry Communications -lehden ensimmäinen päätoimittaja ja ChemSusChem-lehden toimitusneuvoston ensimmäinen puheenjohtaja.
Hän oli myös ChemSusChem-lehden päätoimittaja.