Nocera è entrato a far parte della facoltà della Michigan State University nel 1984 come assistente, ed è diventato professore ordinario alla MSU nel 1990.
Si è trasferito al Massachusetts Institute of Technology come professore di chimica nel 1997, servendo come W. M. KeckProfessor of Energy (2002-2007) e Henry Dreyfus Professor of Energy (2007-2013). È stato direttore del Solar Revolution Project al MIT, fondato nel 2008. È diventato co-direttore dell’Eni Solar Frontiers Center al MIT quando è stato creato il 7 luglio 2008.
Nel febbraio 2012, Nocera ha accettato di spostare il suo gruppo di ricerca al Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica dell’Università di Harvard a Cambridge, MA, dove è diventato il Patterson Rockwood Professor of Energy.
Le principali aree di interesse di Nocera sono nella conversione energetica biologica e chimica, concentrandosi sui meccanismi a livello molecolare e la fotogenerazione di idrogeno e ossigeno. Il suo lavoro sulla fotosintesi artificiale nasce dalla sua ricerca di base sui meccanismi di conversione dell’energia in biologia e in chimica, in particolare quelli che coinvolgono gli stati eccitati multielettronici e il trasferimento di elettroni accoppiati a protoni (PCET).
Nocera sostiene che una migliore comprensione del processo di fotosintesi è essenziale per lo sviluppo di strategie energetiche, perché l’energia solare ha il potenziale per scalare fino a soddisfare la domanda di energia a lungo termine. Egli sottolinea che gli scienziati devono considerare l’economia dei materiali che propongono di utilizzare per le fonti di energia e per le tecnologie di stoccaggio, se vogliono sviluppare alternative energetiche valide.
Stati eccitati multielettroniciModifica
I primi lavori di Nocera sui legami a due elettroni e sugli stati eccitati multielettronici sono considerati aver stabilito nuovi paradigmi nella chimica degli stati eccitati. L’idea alla base della valenza mista a due elettroni è che i composti a valenza mista a singolo elettrone e quelli a valenza mista a due elettroni possono essere analoghi: i composti a valenza mista a singolo elettrone possono reagire in passi di un elettrone, mentre i composti a valenza mista a due elettroni possono reagire in passi di due elettroni. Inoltre, un legame a due elettroni può essere previsto per dare origine a quattro stati multielettronici. Nocera e il suo laboratorio hanno ampiamente studiato gli stati eccitati di complessi e cluster metallici. Lo spettro di eccitazione a due fotoni di un complesso metallo-metallo a legame quadruplo ritorto ha completato la descrizione dei quattro stati richiesti per il legame quadruplo prototipico di un complesso metallico di transizione.
Basandosi sulle idee di valenza mista a due elettroni, Heyduk e Nocera hanno sviluppato un fotocatalizzatore molecolare guidato dalla luce. L’assorbimento della luce ha causato la rottura dei due legami RhII-X di un composto dirhodium, con il risultato di un catalizzatore di rodio attivo in grado di reagire con gli acidi idroalici. Il loro rapporto del 2001 sulla generazione di H2 dall’acido aloalico usando un fotocatalizzatore molecolare è considerato aver “aperto la porta” alla produzione fotocatalitica di combustibili.
La foglia artificialeModifica
Nel 2008, Nocera e il postdoc Matthew Kanan hanno fatto un passo importante verso la fotosintesi artificiale, quando hanno creato un elettrocatalizzatore anodico per l’ossidazione dell’acqua, capace di dividere l’acqua in gas idrogeno e ossigeno. Il loro catalizzatore utilizzava cobalto e fosfato, materiali relativamente poco costosi e facilmente ottenibili. Il catalizzatore era in grado di scindere l’acqua in ossigeno e protoni usando la luce del sole, e potrebbe potenzialmente essere accoppiato a un catalizzatore che produce idrogeno gassoso come il platino. Anche se il catalizzatore si rompeva durante la catalisi, poteva ripararsi da solo.
Nel 2009, Nocera ha formato Sun Catalytix, una startup per sviluppare un progetto prototipo di un sistema per convertire la luce del sole in idrogeno immagazzinabile che potrebbe essere utilizzato per produrre elettricità. Un tale sistema richiederebbe progressi tecnologici e commerciali per creare componenti economicamente sostenibili per lo stoccaggio di idrogeno, pannelli solari e celle a combustibile. Nell’ottobre 2010, Nocera ha firmato con il gruppo indiano Tata per sostenere ulteriormente la ricerca e lo sviluppo. L’ideale era quello di creare un impianto autonomo in miniatura in grado di fornire abbastanza “energia personalizzata” per alimentare una piccola casa. Un tale dispositivo potrebbe fornire energia alle case in zone isolate che sono attualmente inaccessibili.
Nel 2011, Nocera e il suo team di ricerca hanno annunciato la creazione della prima pratica “foglia artificiale”: una cella solare avanzata delle dimensioni di una carta da gioco, in grado di scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno con dieci volte l’efficienza della fotosintesi naturale. La cella solare di silicio è stata rivestita da un lato con una sottile pellicola di catalizzatore di cobalto, sopra una membrana protettiva per evitare che il silicio si ossidi, e dall’altro lato con un catalizzatore a base di nichel, per scindere l’idrogeno dall’acqua. La foglia artificiale è stata inserita dalla rivista Time nella lista delle 50 migliori invenzioni del 2011.
Tuttavia, nel maggio 2012, Sun Catalytix ha dichiarato che non avrebbe scalato il prototipo. Il determinante predominante del suo costo, la costruzione dell’infrastruttura fotovoltaica, era ancora considerato troppo costoso per sostituire le fonti di energia esistenti. Nocera è stato riferito “scoraggiato dalle sfide di portare la tecnologia sul mercato”. Tuttavia, i ricercatori di Harvard e altrove continuano a studiare le possibilità della foglia artificiale, alla ricerca di modi per ridurre i costi e aumentare l’efficienza.
Batteria a flusso a basso costoModifica
Nella speranza di sviluppare un prodotto che potrebbe essere portato più rapidamente sul mercato, Sun Catalytix ha rifocalizzato il suo modello di business sullo sviluppo di una batteria a flusso ricaricabile a basso costo per l’uso in scala di rete e su scala commerciale. Nel 2014, Sun Catalytix è stata acquisita da Lockheed Martin, perché interessata a utilizzare la batteria di flusso nella sua microgrid.
Proton-coupled electron transferEdit
L’altra area in cui Nocera è considerato un pioniere è il proton-coupled electron transfer (PCET). Anche se non ha originato l’idea che il trasferimento di elettroni e il trasferimento di protoni potessero essere studiati come processi accoppiati, ha pubblicato uno dei documenti fondamentali che dimostra un modello per tale studio nel 1992. Usando la porfirina Zn come donatore e l’acido 3,4 dinitrobenzoico come accettore, il suo team ha dimostrato la fotoeccitazione della porfirina Zn e un processo di trasferimento di elettroni utilizzando un legame idrogeno. Questo ha anche illustrato la fattibilità dell’approccio come modello per studiare la conversione energetica biologica. Il PCET è diventato una tecnica importante per studiare la conversione di energia nei processi biologici a livello molecolare.
Altre ricercheModifica
Altri contributi includono la sintesi di un reticolo S = 1/2 kagome, di interesse per lo studio dei sistemi spin-frustrati e dei meccanismi di conduzione nei superconduttori; lo sviluppo di chemosensori ottici microfluidici per l’uso su microscala e nanoscala; e tecniche di velocimetria con tag molecolare (MTV).
Nocera ha pubblicato oltre 225 articoli. È co-editore di Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Ha fatto parte di comitati consultivi scientifici e di comitati editoriali di diverse grandi aziende. È stato l’editore inaugurale di Inorganic Chemistry Communications, ed è stato il presidente inaugurale del comitato editoriale di ChemSusChem.