Nocera 1984-ben csatlakozott a Michigan Állami Egyetem tanszékéhez adjunktusként, majd 1990-ben az MSU rendes professzora lett.
1997-ben a Massachusetts Institute of Technology kémiaprofesszorává vált, ahol a W. M. KeckProfesszor (2002-2007) és a Henry Dreyfus Energiaprofesszor (2007-2013) volt. Az MIT-n a 2008-ban alapított Solar Revolution Project igazgatója volt. Az MIT Eni Solar Frontiers Center társigazgatója lett, amikor 2008. július 7-én létrehozták.
2012 februárjában Nocera beleegyezett, hogy kutatócsoportját a Harvard Egyetem Kémiai és Kémiai Biológiai Tanszékére (Cambridge, MA) helyezze át, ahol a Patterson Rockwood Energiaprofesszor lett.
Nocera fő érdeklődési területe a biológiai és kémiai energiaátalakítás, a molekuláris szintű mechanizmusokra és a hidrogén és oxigén fotogenerációjára összpontosítva. A mesterséges fotoszintézissel kapcsolatos munkája a biológiai és kémiai energiaátalakítási mechanizmusok, különösen a többelektronos gerjesztett állapotok és a protonokkal kapcsolt elektrontranszfer (PCET) mechanizmusainak alapkutatásából nőtt ki.
Nocera szerint a fotoszintézis folyamatának jobb megértése elengedhetetlen az energiastratégiák kidolgozásához, mivel a napenergia képes a hosszú távú energiaigények kielégítésére. Hangsúlyozza, hogy a tudósoknak figyelembe kell venniük az energiaforrásokhoz és a tárolási technológiákhoz felhasználni kívánt anyagok gazdaságosságát, ha életképes energiaalternatívákat akarnak kifejleszteni.
Többelektronos gerjesztett állapotokSzerkesztés
Nocera kételektronos kötésekkel és többelektronos gerjesztett állapotokkal kapcsolatos korai munkáit tekintik a gerjesztett állapotú kémia új paradigmáinak megalapozóinak. A kételektronos vegyértékűség mögött álló elképzelés szerint az egyelektronos vegyértékű vegyületek és a kételektronos vegyértékű vegyületek analógok lehetnek: az egyelektronos vegyértékű vegyületek egyelektronos lépésekben, míg a kételektronos vegyértékű vegyületek kételektronos lépésekben reagálhatnak. Továbbá egy kételektronos kötésről megjósolható, hogy négy többelektronos állapotot hoz létre. Nocera és laboratóriuma kiterjedten tanulmányozta a fémkomplexek és klaszterek gerjesztett állapotait. Two Photon Excitation Spectrum of a Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex című munkájukkal kiegészítették az átmeneti fémkomplexek prototípusos négyes kötésének négy szükséges állapotának leírását.
A kételektronos vegyértékkel kapcsolatos elképzelésekre építve Heyduk és Nocera kifejlesztett egy fényvezérelt molekuláris fotokatalizátort. A fény elnyelése hatására egy diróniumvegyület két RhII-X kötése felbomlott, így egy aktív ródiumkatalizátor jött létre, amely képes volt hidrohalogénsavakkal reagálni. A molekuláris fotokatalizátor segítségével halogénsavból H2 előállításáról szóló 2001-es jelentésüket úgy tekintik, hogy “megnyitották az ajtót” az üzemanyagok fotokatalitikus előállítása előtt.
A mesterséges levélSzerkesztés
2008-ban Nocera és posztdoktori munkatársa, Matthew Kanan vélhetően fontos lépést tett a mesterséges fotoszintézis felé, amikor a víz oxidációjához olyan anódos elektrokatalizátort hoztak létre, amely képes a vizet hidrogén- és oxigéngázokra bontani. Katalizátoruk kobaltot és foszfátot használt, viszonylag olcsó és könnyen beszerezhető anyagokat. A katalizátor a napfény segítségével képes volt a vizet oxigénre és protonokra bontani, és potenciálisan összekapcsolható egy hidrogéngázt termelő katalizátorral, például platinával. Bár a katalizátor a katalízis során lebomlott, képes volt önmagát megjavítani.
2009-ben Nocera megalapította a Sun Catalytix nevű startupot, hogy kidolgozza egy olyan rendszer prototípusát, amely a napfényt tárolható hidrogénné alakítja át, amelyet villamos energia előállítására lehetne használni. Egy ilyen rendszerhez technológiai és kereskedelmi áttörésekre lenne szükség, hogy gazdaságilag életképes alkatrészeket hozzanak létre a hidrogéntároláshoz, a napelemekhez és az üzemanyagcellákhoz. 2010 októberében a Nocera szerződést kötött az indiai Tata Csoporttal a kutatás és fejlesztés további támogatására. Az ideális cél egy olyan önálló miniatűr erőmű létrehozása volt, amely egy kis ház energiaellátásához elegendő “személyre szabott energiát” képes biztosítani.
2011-ben Nocera és kutatócsoportja bejelentette az első gyakorlati “mesterséges levél” megalkotását: egy játékkártya méretű, fejlett napelemet, amely a természetes fotoszintézis hatékonyságának tízszeresével képes a vizet oxigénre és hidrogénre bontani. A szilícium napelemet egyik oldalán egy vékony kobaltkatalizátor filmmel vonták be, egy védőmembrán fölött, amely megakadályozza a szilícium oxidációját, a másik oldalán pedig egy nikkelalapú katalizátorral, amely a vízből hidrogént hasít. A mesterséges levél szerepelt a Time magazin 2011. évi 50 legjobb találmányának listáján.
A Sun Catalytix azonban 2012 májusában kijelentette, hogy a prototípust nem fogja továbbfejleszteni. A költségek meghatározó tényezőjét, a fotovoltaikus infrastruktúra kiépítését továbbra is túl drágának tartották ahhoz, hogy kiszorítsa a meglévő energiaforrásokat. Nocera állítólag “megijedt a technológia piacra vitelének kihívásaitól”. Ennek ellenére a Harvardon és máshol dolgozó kutatók továbbra is vizsgálják a mesterséges levélben rejlő lehetőségeket, a költségek csökkentésének és a hatékonyság növelésének módjait keresve.
Alacsony költségű áramlási akkumulátorSzerkesztés
A gyorsabban piacra vihető termék kifejlesztésének reményében a Sun Catalytix üzleti modelljét egy alacsony költségű, hálózati és kereskedelmi méretű tárolásra alkalmas, újratölthető áramlási akkumulátor kifejlesztésére összpontosította. 2014-ben a Sun Catalytixet felvásárolta a Lockheed Martin, mivel érdekelt volt az áramlási akkumulátor mikrohálózatában való felhasználásában.
Protonokkal kapcsolt elektronátvitelSzerkesztés
A másik terület, amelyen Nocera úttörőnek számít, a protonokkal kapcsolt elektronátvitel (PCET). Bár nem tőle származik az ötlet, hogy az elektrontranszfert és a protonátvitelt kapcsolt folyamatként lehetne vizsgálni, 1992-ben ő publikálta az egyik alapvető tanulmányt, amelyben bemutatta az ilyen vizsgálat modelljét. Zn-porfirint donorként és 3,4-dinitrobenzoesavat akceptorként használva csoportja bemutatta a Zn-porfirin fotógerjesztését és egy hidrogénkötést használó elektronátviteli folyamatot. Ez egyben a megközelítés életképességét is szemléltette, mint a biológiai energiaátalakítás tanulmányozásának modelljét. A PCET fontos technikává vált a biológiai folyamatok molekuláris szintű energiaátalakításának tanulmányozásában.
Egyéb kutatásokSzerkesztés
Az egyéb hozzájárulások közé tartozik egy S = 1/2 kagome rács szintézise, amely a spin-frusztrált rendszerek és a szupravezetők vezetési mechanizmusainak tanulmányozása szempontjából érdekes; mikrofluidikus optikai kemoszenzorok kifejlesztése mikro- és nanoszintű felhasználásra;és molekuláris címkézési sebességmérési (MTV) technikák.
Nocera több mint 225 publikációt tett közzé. A Photochemistry and Radiation Chemistry (1998) társszerkesztője. Számos nagyvállalat tudományos tanácsadó testületének és szerkesztőbizottságának tagja volt. Ő volt az Inorganic Chemistry Communications első szerkesztője, és ő volt a ChemSusChem szerkesztőbizottságának első elnöke.