Nocera a rejoint le corps professoral de l’Université d’État du Michigan en 1984 en tant que professeur assistant, et est devenu professeur titulaire à la MSU en 1990.
Il est passé au Massachusetts Institute of Technology en tant que professeur de chimie en 1997, servant de professeur d’énergie W. M. Keck (2002-2007) et de professeur d’énergie Henry Dreyfus (2007-2013). Il a été directeur du Solar Revolution Project du MIT, fondé en 2008. Il est devenu codirecteur de l’Eni Solar Frontiers Center au MIT lorsque celui-ci a été créé le 7 juillet 2008.
En février 2012, Nocera a accepté de transférer son groupe de recherche au département de chimie et de biologie chimique de l’université Harvard à Cambridge, MA, où il est devenu le professeur d’énergie Patterson Rockwood.
Les principaux domaines d’intérêt de Nocera sont la conversion d’énergie biologique et chimique, en se concentrant sur les mécanismes au niveau moléculaire et la photogénération d’hydrogène et d’oxygène. Son travail sur la photosynthèse artificielle découle de sa recherche fondamentale sur les mécanismes de conversion de l’énergie en biologie et en chimie, en particulier ceux qui impliquent des états excités multi-électroniques et le transfert d’électrons couplé aux protons (PCET).
Nocera soutient qu’une meilleure compréhension du processus de photosynthèse est essentielle au développement de stratégies énergétiques, car l’énergie solaire a le potentiel de s’étendre pour répondre aux demandes énergétiques à long terme. Il souligne que les scientifiques doivent tenir compte de l’économie des matériaux qu’ils proposent d’utiliser pour les sources d’énergie et pour les technologies de stockage, s’ils veulent développer des alternatives énergétiques viables.
États excités multi-électroniquesEdit
Les premiers travaux de Nocera sur les liaisons à deux électrons et les états excités multi-électroniques sont considérés comme ayant établi de nouveaux paradigmes dans la chimie des états excités. L’idée derrière la valence mixte à deux électrons est que les composés à valence mixte à un électron et les composés à valence mixte à deux électrons peuvent être analogues : les composés à valence mixte à un électron peuvent réagir par étapes à un électron, tandis que les composés à valence mixte à deux électrons peuvent réagir par étapes à deux électrons. En outre, on peut prévoir qu’une liaison à deux électrons donne lieu à quatre états multiélectroniques. Nocera et son laboratoire ont beaucoup étudié les états excités des complexes et des grappes de métaux. Le spectre d’excitation à deux photons d’un complexe métal-métal à liaison quadruple torsadée a complété la description des quatre états requis pour la liaison quadruple prototypique d’un complexe de métal de transition.
S’appuyant sur les idées de la valence mixte à deux électrons, Heyduk et Nocera ont développé un photocatalyseur moléculaire piloté par la lumière. L’absorption de la lumière a provoqué la rupture des deux liaisons RhII-X d’un composé de dirhodium, ce qui a donné lieu à un catalyseur de rhodium actif capable de réagir avec les acides hydrohaliques. Leur rapport de 2001 sur la génération de H2 à partir de l’acide halohalique en utilisant un photocatalyseur moléculaire est considéré comme ayant « ouvert la porte » à la production photocatalytique de carburants.
La feuille artificielleEdit
En 2008, Nocera et le boursier postdoctoral Matthew Kanan auraient franchi une étape importante vers la photosynthèse artificielle, lorsqu’ils ont créé un électrocatalyseur anodique pour l’oxydation de l’eau, capable de séparer l’eau en gaz hydrogène et oxygène. Leur catalyseur utilisait du cobalt et du phosphate, des matériaux relativement peu coûteux et faciles à obtenir. Le catalyseur était capable de séparer l’eau en oxygène et en protons en utilisant la lumière du soleil, et pourrait potentiellement être couplé à un catalyseur produisant de l’hydrogène gazeux tel que le platine. Bien que le catalyseur se soit brisé pendant la catalyse, il pouvait se réparer lui-même.
En 2009, Nocera a formé Sun Catalytix, une startup pour développer un prototype de conception d’un système pour convertir la lumière du soleil en hydrogène stockable qui pourrait être utilisé pour produire de l’électricité. Un tel système nécessiterait des percées technologiques et commerciales pour créer des composants économiquement viables pour le stockage de l’hydrogène, les panneaux solaires et les piles à combustible. En octobre 2010, Nocera a signé avec le groupe indien Tata pour soutenir davantage la recherche et le développement. L’idéal était de créer une centrale miniature autonome capable de fournir suffisamment d' »énergie personnalisée » pour alimenter une petite maison.Un tel dispositif pourrait fournir de l’énergie aux maisons situées dans des zones isolées qui sont actuellement inaccessibles.
En 2011, Nocera et son équipe de recherche ont annoncé la création de la première « feuille artificielle » pratique : une cellule solaire avancée de la taille d’une carte à jouer, capable de diviser l’eau en oxygène et en hydrogène avec une efficacité dix fois supérieure à celle de la photosynthèse naturelle. La cellule solaire en silicium a été recouverte d’une fine pellicule de catalyseur au cobalt sur une face, par-dessus une membrane protectrice destinée à empêcher l’oxydation du silicium, et d’un catalyseur à base de nickel sur l’autre face, pour séparer l’hydrogène de l’eau. La feuille artificielle a figuré dans la liste des 50 meilleures inventions de 2011 du magazine Time.
Cependant, en mai 2012, Sun Catalytix a déclaré qu’elle ne mettrait pas à l’échelle le prototype. Le déterminant prédominant de son coût, la construction de l’infrastructure photovoltaïque, était encore considéré comme trop cher pour déplacer les sources d’énergie existantes. Nocera aurait été « découragé par les défis que représente la mise sur le marché de cette technologie ». Néanmoins, les chercheurs de Harvard et d’ailleurs continuent d’étudier les possibilités de la feuille artificielle, en cherchant des moyens de réduire les coûts et d’augmenter l’efficacité.
Batterie à flux à faible coûtEdit
Dans l’espoir de développer un produit qui pourrait être plus rapidement mis sur le marché, Sun Catalytix a recentré son modèle commercial sur le développement d’une batterie à flux rechargeable à faible coût pour une utilisation dans le stockage à l’échelle du réseau et à l’échelle commerciale. En 2014, Sun Catalytix a été rachetée par Lockheed Martin, car elle était intéressée par l’utilisation de la batterie à flux dans son micro-réseau.
Transfert d’électrons couplés aux protonsModifié
L’autre domaine dans lequel Nocera est considéré comme un pionnier est le transfert d’électrons couplés aux protons (PCET). Bien qu’il ne soit pas à l’origine de l’idée que le transfert d’électrons et le transfert de protons puissent être étudiés comme des processus couplés, il a publié en 1992 l’un des articles fondateurs démontrant un modèle pour une telle étude. En utilisant la porphyrine Zn comme donneur et l’acide 3,4- dinitrobenzoïque comme accepteur, son équipe a démontré la photoexcitation de la porphyrine Zn et un processus de transfert d’électrons utilisant une liaison hydrogène. Cela a également illustré la viabilité de l’approche en tant que modèle pour étudier la conversion d’énergie biologique. Le PCET est devenu une technique importante pour étudier la conversion d’énergie dans les processus biologiques au niveau moléculaire.
Autres recherchesEdit
Les autres contributions comprennent la synthèse d’un réseau de kagome S = 1/2, d’intérêt pour l’étude des systèmes frustrés de spin et des mécanismes de conduction dans les supraconducteurs ; le développement de chimiodétecteurs optiques microfluidiques pour une utilisation à l’échelle microscopique et nanométrique ; et les techniques de vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV).
Nocera a publié plus de 225 articles. Il est co-éditeur de Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Il a fait partie de conseils consultatifs scientifiques et de comités de rédaction de plusieurs grandes entreprises. Il a été le premier rédacteur en chef de Inorganic Chemistry Communications et le premier président du comité de rédaction de ChemSusChem.