Nocera trad in 1984 toe tot de faculteit van de Michigan State University als assistent-professor, en werd in 1990 gewoon hoogleraar aan de MSU.
Hij verhuisde in 1997 naar het Massachusetts Institute of Technology als hoogleraar chemie, waar hij de W. M. KeckProfessor of Energy (2002-2007) en de Henry Dreyfus Professor of Energy (2007-2013) was. Hij was directeur van het Solar Revolution Project bij MIT, opgericht in 2008. Hij werd mededirecteur van het Eni Solar Frontiers Center aan het MIT toen dat op 7 juli 2008 werd opgericht.
In februari 2012 stemde Nocera ermee in om zijn onderzoeksgroep te verplaatsen naar het Department of Chemistry and Chemical Biology aan de Harvard University in Cambridge, MA, waar hij de Patterson Rockwood Professor of Energy werd.
Nocera’s belangrijkste interessegebieden zijn biologische en chemische energieconversie, waarbij hij zich richt op mechanismen op moleculair niveau en de fotogeneratie van waterstof en zuurstof. Zijn werk op het gebied van kunstmatige fotosynthese komt voort uit zijn fundamenteel onderzoek naar mechanismen van energieomzetting in biologie en chemie, met name die waarbij multielectron aangeslagen toestanden en proton gekoppelde elektronenoverdracht (PCET) betrokken zijn.
Nocera stelt dat een beter begrip van het fotosyntheseproces essentieel is voor de ontwikkeling van energiestrategieën, omdat zonne-energie het potentieel heeft om op te schalen om aan de energievraag op lange termijn te voldoen. Hij benadrukt dat wetenschappers rekening moeten houden met de economische aspecten van de materialen die zij voor energiebronnen en voor opslagtechnologieën willen gebruiken, als zij levensvatbare energiealternatieven willen ontwikkelen.
Multi-elektron aangeslagen toestandenEdit
Nocera’s vroege werk aan twee-elektronenbindingen en multi-elektron aangeslagen toestanden wordt beschouwd als het vestigen van nieuwe paradigma’s in de aangeslagen-statenchemie. Het idee achter twee-elektron gemengde valentie is dat enkel-elektron gemengde valentie-verbindingen en twee-elektron gemengde valentie-verbindingen analoog kunnen zijn: enkel-elektron gemengde valentie-verbindingen kunnen reageren in stappen van één elektron, terwijl twee-elektron gemengde valentie-verbindingen kunnen reageren in stappen van twee elektronen. Voorts kan worden voorspeld dat een twee-elektronenverbinding aanleiding geeft tot vier multielektronische toestanden. Nocera en zijn laboratorium hebben de aangeslagen toestanden van metaalcomplexen en -clusters uitgebreid bestudeerd. Twee foton excitatie spectrum van een getwiste viervoudige binding metaal-metaal complex voltooide de beschrijving van de vier vereiste toestanden voor de prototypische viervoudige binding van een overgangsmetaal complex.
Voortbouwend op de ideeën van twee-elektron gemengde valentie, Heyduk en Nocera ontwikkelden een licht-gedreven moleculaire fotokatalysator. De absorptie van licht deed de twee RhII-X bindingen van een dirhodiumverbinding breken, wat resulteerde in een actieve rhodiumkatalysator die in staat was te reageren met hydrohalische zuren. Hun rapport uit 2001 over het genereren van H2 uit halohalinezuur met behulp van een moleculaire fotokatalysator wordt beschouwd als “een opening” voor de fotokatalytische productie van brandstoffen.
Het kunstmatige bladEdit
In 2008 zouden Nocera en postdoctoraal medewerker Matthew Kanan een belangrijke stap hebben gezet in de richting van kunstmatige fotosynthese, toen zij een anode-elektrokatalysator voor de oxidatie van water creëerden, die in staat was water te splitsen in waterstof- en zuurstofgassen. Hun katalysator gebruikte kobalt en fosfaat, relatief goedkope en gemakkelijk verkrijgbare materialen. De katalysator was in staat water te splitsen in zuurstof en protonen met behulp van zonlicht, en kon mogelijk worden gekoppeld aan een waterstofgas producerende katalysator zoals platina. Hoewel de katalysator tijdens de katalyse afbrak, kon hij zichzelf herstellen.
In 2009 richtte Nocera Sun Catalytix op, een startup om een prototype te ontwikkelen voor een systeem om zonlicht om te zetten in opslagbare waterstof, die kon worden gebruikt om elektriciteit te produceren. Een dergelijk systeem zou zowel technologische als commerciële doorbraken vereisen om economisch levensvatbare componenten te creëren voor waterstofopslag, zonnepanelen en brandstofcellen. In oktober 2010 tekende Nocera met de Tata Group uit India voor verdere ondersteuning van onderzoek en ontwikkeling. Het ideaal was om een stand-alone miniatuurinstallatie te maken die genoeg “gepersonaliseerde energie” kan leveren om een klein huis van stroom te voorzien.Een dergelijk apparaat zou stroom kunnen leveren aan huizen in geïsoleerde gebieden die momenteel ontoegankelijk zijn.
In 2011 kondigden Nocera en zijn onderzoeksteam de creatie aan van het eerste praktische “kunstmatige blad”: een geavanceerde zonnecel ter grootte van een speelkaart, in staat om water te splitsen in zuurstof en waterstof met tien keer de efficiëntie van natuurlijke fotosynthese. De silicium zonnecel werd gecoat met een dunne film van kobaltkatalysator aan de ene kant, over een beschermend membraan om te voorkomen dat het silicium oxideert, en een op nikkel gebaseerde katalysator aan de andere kant, om waterstof uit water te splitsen. Het kunstmatige blad werd opgenomen in Time magazine’s lijst van de top 50 uitvindingen van 2011.
In mei 2012 verklaarde Sun Catalytix echter dat het prototype niet zou worden opgeschaald. De belangrijkste kostenbepalende factor, de bouw van de fotovoltaïsche infrastructuur, werd nog steeds te duur geacht om bestaande energiebronnen te vervangen. Nocera was naar verluidt “ontmoedigd door de uitdagingen om de technologie op de markt te brengen”. Niettemin blijven onderzoekers aan Harvard en elders de mogelijkheden van het kunstmatige blad onderzoeken, op zoek naar manieren om de kosten te verlagen en de efficiëntie te verhogen.
Goedkope stroombatterijEdit
In de hoop een product te ontwikkelen dat sneller op de markt kon worden gebracht, heroriënteerde Sun Catalytix zijn bedrijfsmodel op de ontwikkeling van een goedkope oplaadbare stroombatterij voor gebruik in opslag op netschaal en op commerciële schaal. In 2014 werd Sun Catalytix overgenomen door Lockheed Martin, omdat het geïnteresseerd was in het gebruik van de flowbatterij in zijn microgrid.
Proton-coupled electron transferEdit
Het andere gebied waarop Nocera als een pionier wordt beschouwd, is proton-coupled electron transfer (PCET). Hoewel hij niet aan de wieg stond van het idee dat elektronenoverdracht en protonenoverdracht als gekoppelde processen kunnen worden bestudeerd, publiceerde hij in 1992 een van de baanbrekende artikelen waarin een model voor een dergelijke studie wordt gedemonstreerd. Met Zn-porfyrine als donor en 3,4-dinitrobenzoëzuur als acceptor toonde zijn team fotoexcitatie van het Zn-porfyrine aan en een proces van elektronenoverdracht via een waterstofbrug. Dit illustreerde ook de levensvatbaarheid van de aanpak als een model voor het bestuderen van biologische energieomzetting. PCET is een belangrijke techniek geworden voor het bestuderen van energieomzetting in biologische processen op moleculair niveau.
Ander onderzoekEdit
Andere bijdragen omvatten de synthese van een S = 1/2 kagome rooster, van belang voor de studie van spingestoorde systemen en geleidingsmechanismen in supergeleiders; ontwikkeling van microfluïdische optische chemosensoren voor gebruik op microscopische en nanoschaal; en moleculaire tagging velocimetry (MTV) technieken.
Nocera heeft meer dan 225 artikelen gepubliceerd. Hij is mede-redacteur van Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Hij heeft zitting gehad in wetenschappelijke adviesraden en redactieraden van verschillende grote bedrijven. Hij was de eerste redacteur van Inorganic Chemistry Communications en was de eerste voorzitter van de redactieraad van ChemSusChem.