Nocera dołączył do wydziału Michigan State University w 1984 roku jako asystent profesora, a w 1990 roku został profesorem zwyczajnym w MSU.
Przeniósł się do Massachusetts Institute of Technology jako profesor chemii w 1997 roku, służąc jako W. M. KeckProfessor of Energy (2002-2007) i Henry Dreyfus Professor of Energy (2007-2013). Był dyrektorem Solar Revolution Project na MIT, założonego w 2008 roku. Został współdyrektorem Eni Solar Frontiers Center w MIT, gdy zostało ono utworzone 7 lipca 2008 roku.
W lutym 2012 roku Nocera zgodził się przenieść swoją grupę badawczą do Wydziału Chemii i Biologii Chemicznej na Uniwersytecie Harvarda w Cambridge, MA, gdzie został Patterson Rockwood Professor of Energy.
Główne obszary zainteresowań Nocery dotyczą biologicznej i chemicznej konwersji energii, koncentrując się na mechanizmach na poziomie molekularnym i fotogeneracji wodoru i tlenu. Jego praca nad sztuczną fotosyntezą wyrasta z jego podstawowych badań nad mechanizmami konwersji energii w biologii i chemii, szczególnie tych obejmujących wieloelektronowe stany wzbudzone i transfer elektronów sprzężonych z protonami (PCET).
Nocera argumentuje, że lepsze zrozumienie procesu fotosyntezy jest niezbędne do rozwoju strategii energetycznych, ponieważ energia słoneczna ma potencjał, aby skalować się w celu zaspokojenia długoterminowego zapotrzebowania na energię. Podkreśla, że naukowcy muszą rozważyć ekonomię materiałów, które proponują wykorzystać do źródeł energii i technologii przechowywania, jeśli mają opracować realne alternatywy energetyczne.
Wieloelektronowe stany wzbudzoneEdit
Wczesna praca Nocery nad wiązaniami dwuelektronowymi i wieloelektronowymi stanami wzbudzonymi jest uważana za ustanawiającą nowe paradygmaty w chemii stanów wzbudzonych. Ideą dwuelektronowej mieszanej walencyjności jest to, że jednoelektronowe mieszane związki walencyjne i dwuelektronowe mieszane związki walencyjne mogą być analogiczne: jednoelektronowe mieszane związki walencyjne mogą reagować w jednoelektronowych krokach, podczas gdy dwuelektronowe mieszane związki walencyjne mogą reagować w dwuelektronowych krokach. Ponadto można przewidzieć, że wiązanie dwuelektronowe może dać początek czterem stanom wieloelektronowym. Nocera i jego laboratorium intensywnie badali stany wzbudzone kompleksów i klasterów metali. Two Photon Excitation Spectrum of a Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex uzupełnił opis czterech wymaganych stanów dla prototypowego poczwórnego wiązania kompleksu metali przejściowych.
Budując na ideach dwuelektronowej mieszanej walencji, Heyduk i Nocera opracowali napędzany światłem fotokatalizator molekularny. Absorpcja światła spowodowała rozerwanie dwóch wiązań RhII-X związku dirhodium, w wyniku czego powstał aktywny katalizator rodowy, który był w stanie reagować z kwasami hydroalicznymi. Ich raport z 2001 r. dotyczący wytwarzania H2 z kwasu halohalowego przy użyciu fotokatalizatora molekularnego jest uważany za „otwierający drzwi” do fotokatalitycznej produkcji paliw.
Sztuczny liśćEdit
W 2008 r. Nocera i pracownik podoktorski Matthew Kanan uważali, że zrobili ważny krok w kierunku sztucznej fotosyntezy, kiedy stworzyli elektrokatalizator anodowy do utleniania wody, zdolny do rozszczepiania wody na wodór i tlen. Ich katalizator wykorzystywał kobalt i fosforan, stosunkowo niedrogie i łatwo dostępne materiały. Katalizator był w stanie rozszczepić wodę na tlen i protony za pomocą światła słonecznego i mógłby być potencjalnie sprzężony z katalizatorem produkującym wodór, takim jak platyna. Chociaż katalizator zepsuł się podczas katalizy, mógł się sam naprawić.
W 2009 roku Nocera założył Sun Catalytix, startup mający na celu opracowanie prototypu systemu do konwersji światła słonecznego w możliwy do przechowywania wodór, który mógłby zostać wykorzystany do produkcji energii elektrycznej. Taki system wymagałby zarówno technologicznych, jak i komercyjnych przełomów, aby stworzyć ekonomicznie opłacalne komponenty do przechowywania wodoru, panele słoneczne i ogniwa paliwowe. W październiku 2010 roku Nocera podpisała umowę z Tata Group of India na dalsze wsparcie badań i rozwoju. Ideałem było stworzenie samodzielnej miniaturowej elektrowni zdolnej do dostarczenia wystarczającej ilości „spersonalizowanej energii” do zasilenia małego domu. Takie urządzenie mogłoby zapewnić zasilanie domom w odizolowanych obszarach, które obecnie są niedostępne.
W 2011 roku Nocera i jego zespół badawczy ogłosili stworzenie pierwszego praktycznego „sztucznego liścia”: zaawansowanego ogniwa słonecznego wielkości karty do gry, zdolnego do rozszczepienia wody na tlen i wodór z dziesięciokrotnie większą wydajnością niż naturalna fotosynteza. Krzemowe ogniwo słoneczne zostało pokryte cienką warstwą katalizatora kobaltowego z jednej strony, nad membraną ochronną zapobiegającą utlenianiu się krzemu, oraz katalizatorem niklowym z drugiej strony, służącym do rozszczepiania wodoru z wody. Sztuczny liść znalazł się na liście 50 najlepszych wynalazków 2011 roku magazynu Time.
Jednakże w maju 2012 roku firma Sun Catalytix stwierdziła, że nie będzie zwiększać skali prototypu. Dominujący czynnik decydujący o jego kosztach, budowa infrastruktury fotowoltaicznej, był nadal uważany za zbyt kosztowny, aby zastąpić istniejące źródła energii. Nocera był podobno „onieśmielony wyzwaniami związanymi z wprowadzeniem tej technologii na rynek”. Mimo to naukowcy na Harvardzie i w innych miejscach nadal badają możliwości sztucznego liścia, szukając sposobów na obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności.
Tani akumulator przepływowyEdit
W nadziei na opracowanie produktu, który mógłby być szybciej wprowadzony na rynek, Sun Catalytix przeorientował swój model biznesowy na opracowanie taniego akumulatora przepływowego do wykorzystania w magazynowaniu na skalę sieciową i komercyjną. W 2014 roku Sun Catalytix została przejęta przez firmę Lockheed Martin, ponieważ była ona zainteresowana wykorzystaniem akumulatora przepływowego w swojej mikrosieci.
Transfer elektronów sprzężonych z protonamiEdit
Innym obszarem, w którym Nocera jest uważany za pioniera, jest transfer elektronów sprzężonych z protonami (PCET). Chociaż to nie on stworzył pomysł, że przeniesienie elektronu i protonu może być badane jako procesy sprzężone, opublikował jedną z fundamentalnych prac demonstrujących model takiego badania w 1992 roku. Używając porfiryny Zn jako donora i kwasu 3,4- dinitrobenzoesowego jako akceptora, jego zespół zademonstrował fotoekscytację porfiryny Zn i proces przeniesienia elektronu wykorzystujący wiązanie wodorowe. Zilustrowało to również możliwość zastosowania tego podejścia jako modelu do badania biologicznej konwersji energii. PCET stało się ważną techniką do badania konwersji energii w procesach biologicznych na poziomie molekularnym.
Inne badaniaEdit
Inne prace obejmują syntezę siatki S = 1/2 kagome, interesującej w badaniach układów z zaburzeniami spinu i mechanizmów przewodzenia w nadprzewodnikach; rozwój mikroprzepływowych chemosensorów optycznych do stosowania w mikroskali i nanoskali; oraz techniki magnetometrii molekularnej (MTV).
Nocera opublikował ponad 225 prac. Jest współredaktorem Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Służył w naukowych radach doradczych i kolegiach redakcyjnych kilku dużych korporacji. Był redaktorem inauguracyjnym Inorganic Chemistry Communications, a także pełnił funkcję przewodniczącego rady redakcyjnej ChemSusChem.
.