Nocera ingressou na faculdade da Michigan State University em 1984 como professor assistente, e tornou-se professor titular na MSU em 1990.
Ele se mudou para o Massachusetts Institute of Technology como professor de química em 1997, servindo como W. M. KeckProfessor de Energia (2002-2007) e Henry Dreyfus Professor de Energia (2007-2013). Ele foi diretor do Projeto Revolução Solar no MIT, fundado em 2008. Ele se tornou co-diretor do Eni Solar Frontiers Center no MIT quando este foi criado em 7 de julho de 2008.
Em fevereiro de 2012, Nocera concordou em transferir seu grupo de pesquisa para o Departamento de Química e Biologia Química da Universidade de Harvard em Cambridge, MA, onde ele se tornou o Professor de Energia Patterson Rockwood.
As principais áreas de interesse de Nocera são a conversão de energia biológica e química, focando em mecanismos a nível molecular e a fotogeração de hidrogênio e oxigênio. O seu trabalho sobre a fotossíntese artificial resulta da sua pesquisa básica sobre mecanismos de conversão de energia em biologia e química, particularmente aqueles que envolvem estados de excitação multieletrônica e transferência de elétrons acoplados a prótons (PCET).
Nocera argumenta que uma melhor compreensão do processo de fotossíntese é essencial para o desenvolvimento de estratégias energéticas, pois a energia solar tem o potencial de escalar para atender às demandas energéticas de longo prazo. Ele enfatiza que os cientistas devem considerar a economia dos materiais que se propõem usar para fontes de energia e para tecnologias de armazenamento, se quiserem desenvolver alternativas viáveis de energia.
Estados excitados multieletrônicosEditar
Nocera é considerado como tendo estabelecido novos paradigmas na química de estados excitados. A idéia por trás de duas-valências mistas de elétrons é que compostos de valência mista de um elétron e de dois elétrons podem ser análogos: compostos de valência mista de um elétron podem reagir em etapas de um elétron, enquanto compostos de valência mista de dois elétrons podem reagir em etapas de dois elétrons. Além disso, é possível prever que uma ligação de dois elétrons dê origem a quatro estados multieletrônicos. Nocera e seu laboratório têm estudado extensivamente os estados excitados de complexos e aglomerados de metais. Dois Photon Excitation Spectrum de um Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex completaram a descrição dos quatro estados necessários para a ligação quádrupla prototípica de um complexo metálico de transição.
Building on the ideas of two-electron mixed-valency, Heyduk e Nocera desenvolveram um fotocatalisador molecular leve. A absorção da luz fez com que as duas ligações RhII-X de um composto de diródio se rompessem, resultando em um catalisador ativo de ródio que era capaz de reagir com ácidos hidroálicos. Seu relatório de 2001 sobre a geração de H2 a partir do ácido halohálico utilizando um fotocatalisador molecular é considerado como tendo “aberto a porta” para a produção fotocatalítica de combustíveis.
A folha artificialEdit
Em 2008, acredita-se que Nocera e Matthew Kananan, companheiro de pós-doutorado, deram um passo importante para a fotossíntese artificial, quando criaram um eletrocatalisador anódico para a oxidação da água, capaz de dividir a água em hidrogênio e gases de oxigênio. O seu catalisador utilizava cobalto e fosfato, materiais relativamente baratos e de fácil obtenção. O catalisador era capaz de dividir a água em oxigênio e prótons usando a luz solar, e podia ser potencialmente acoplado a um catalisador produtor de gás hidrogênio, como a platina. Embora o catalisador tenha quebrado durante a catálise, ele poderia se reparar sozinho.
Em 2009, a Nocera formou o Sun Catalytix, um startup para desenvolver um projeto protótipo de um sistema para converter a luz solar em hidrogênio armazenável que poderia ser usado para produzir eletricidade. Tal sistema exigiria avanços tecnológicos e comerciais para criar componentes economicamente viáveis para o armazenamento de hidrogénio, painéis solares e células de combustível. Em outubro de 2010, a Nocera assinou com o Grupo Tata da Índia para continuar a apoiar a pesquisa e o desenvolvimento. O ideal era criar uma planta autônoma em miniatura capaz de fornecer “energia personalizada” suficiente para alimentar uma pequena casa. Tal dispositivo poderia fornecer energia para casas em áreas isoladas que atualmente são inacessíveis.
Em 2011, Nocera e sua equipe de pesquisa anunciaram a criação da primeira “folha artificial” prática: uma célula solar avançada do tamanho de uma carta de jogo, capaz de dividir a água em oxigênio e hidrogênio com dez vezes a eficiência da fotossíntese natural. A célula solar de silício foi revestida com uma fina película de catalisador de cobalto de um lado, sobre uma membrana protectora para evitar a oxidação do silício, e um catalisador à base de níquel do outro lado, para separar o hidrogénio da água. A folha artificial foi apresentada na lista da revista Time das 50 maiores invenções de 2011.
No entanto, em maio de 2012, a Sun Catalytix afirmou que não estaria ampliando o protótipo. O determinante predominante do seu custo, a construção da infra-estrutura fotovoltaica, ainda era considerada demasiado cara para deslocar as fontes de energia existentes. Nocera foi alegadamente “assustado com os desafios de trazer a tecnologia para o mercado”. No entanto, pesquisadores em Harvard e em outros lugares continuam a investigar as possibilidades da folha artificial, procurando maneiras de reduzir custos e aumentar a eficiência.
Bateria de baixo custo de fluxoEditar
Na esperança de desenvolver um produto que pudesse ser colocado mais rapidamente no mercado, a Sun Catalytix reorientou seu modelo de negócio para desenvolver uma bateria de baixo custo de fluxo recarregável para uso em escala de rede e armazenamento em escala comercial. Em 2014, a Sun Catalytix foi adquirida pela Lockheed Martin, porque estava interessada em utilizar a bateria de fluxo na sua micro-rede.
Transferência de elétrons acoplados a prótonsEdit
A outra área em que a Nocera é considerada pioneira é a transferência de elétrons acoplados a prótons (PCET). Embora ele não tenha originado a idéia de que a transferência de elétrons e a transferência de prótons pudessem ser estudadas como processos acoplados, ele publicou um dos trabalhos fundacionais demonstrando um modelo para tal estudo em 1992. Utilizando a porfirina Zn como doadora e o ácido 3,4- dinitrobenzóico como aceitador, sua equipe demonstrou fotoexcitação da porfirina Zn e um processo de transferência de elétrons utilizando uma ligação de hidrogênio. Isto também ilustrou a viabilidade da abordagem como um modelo para o estudo da conversão de energia biológica. O PCET tornou-se uma técnica importante para o estudo da conversão de energia em processos biológicos a nível molecular.
Outras pesquisasEditar
Outras contribuições incluem a síntese de uma malha S = 1/2 kagome, de interesse para o estudo de sistemas e mecanismos de condução de spin-frustrados em supercondutores; desenvolvimento de quimiosensores ópticos microfluídicos para uso em microescala e nanoescala; e técnicas de velocimetria de marcação molecular (MTV).
Nocera já publicou mais de 225 artigos. Ele é co-editor de Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Já fez parte de conselhos consultivos científicos e conselhos editoriais de várias grandes corporações. Foi o primeiro editor da Inorganic Chemistry Communications, e foi o primeiro presidente do conselho editorial da ChemSusChem.