Nocera började vid Michigan State University 1984 som biträdande professor och blev ordinarie professor vid MSU 1990.
Han flyttade till Massachusetts Institute of Technology som professor i kemi 1997 och var W. M. Keck-professor i energi (2002-2007) och Henry Dreyfus-professor i energi (2007-2013). Han var chef för Solar Revolution Project vid MIT, som grundades 2008. Han blev meddirektör för Eni Solar Frontiers Center vid MIT när det skapades den 7 juli 2008.
I februari 2012 gick Nocera med på att flytta sin forskningsgrupp till institutionen för kemi och kemisk biologi vid Harvard University i Cambridge, MA, där han blev Patterson Rockwood-professor i energi.
Noceras huvudsakliga intresseområden är biologisk och kemisk energiomvandling, med fokus på mekanismer på molekylär nivå och fotogenerering av väte och syre. Hans arbete med artificiell fotosyntes växer fram ur hans grundforskning om mekanismer för energiomvandling inom biologi och kemi, särskilt de som involverar exciterade tillstånd med flera elektroner och protonkopplad elektronöverföring (PCET).
Nocera hävdar att en bättre förståelse av fotosyntesprocessen är nödvändig för att utveckla energistrategier, eftersom solenergin har potential att skalas upp för att tillgodose energibehovet på lång sikt. Han betonar att forskarna måste ta hänsyn till ekonomin för de material som de föreslår att använda för energikällor och lagringsteknik, om de ska kunna utveckla livskraftiga energialternativ.
Multielektron-exciterade tillståndEdit
Noceras tidiga arbete med tvåelektronbindningar och multielektron-exciterade tillstånd anses ha etablerat nya paradigmer inom kemin för exciterade tillstånd. Tanken bakom två-elektron-mixed-valens är att en-elektron-mixed-valensföreningar och två-elektron-mixed-valensföreningar kan vara analoga: en-elektron-mixed-valensföreningar kan reagera i ett elektronsteg, medan två-elektron-mixed-valensföreningar kan reagera i två-elektronsteg. Vidare kan en tvåelektronbindning förutsägas ge upphov till fyra multielektroniska tillstånd. Nocera och hans laboratorium har utförligt studerat de exciterade tillstånden hos metallkomplex och kluster. Two Photon Excitation Spectrum of a Twisted Quadruple Bond Metal-Metal Complex avslutade beskrivningen av de fyra nödvändiga tillstånden för den prototypiska fyrdubbelbindningen i ett övergångsmetallkomplex.
Med utgångspunkt i idéerna om tvåelektronernas blandade valens utvecklade Heyduk och Nocera en ljusdriven molekylär fotokatalysator. Absorptionen av ljus fick de två RhII-X-bindningarna i en dirhodiumförening att brytas, vilket resulterade i en aktiv rhodiumkatalysator som kunde reagera med halogenvätesyror. Deras rapport från 2001 om generering av H2 från halogenhalssyra med hjälp av en molekylär fotokatalysator anses ha ”öppnat dörren” för fotokatalytisk produktion av bränslen.
Det konstgjorda bladetRedigera
År 2008 ansågs Nocera och postdoktorn Matthew Kanan ha tagit ett viktigt steg mot artificiell fotosyntes, när de skapade en anodelektrokatalysator för oxidation av vatten, som kunde dela upp vatten i vätgas och syrgas. I katalysatorn användes kobolt och fosfat, som är relativt billiga och lätta att få tag på. Katalysatorn kunde dela upp vatten till syre och protoner med hjälp av solljus och skulle eventuellt kunna kopplas till en katalysator som producerar vätgas, t.ex. platina. Även om katalysatorn gick sönder under katalysen kunde den reparera sig själv.
2009 bildade Nocera Sun Catalytix, ett nystartat företag för att utveckla en prototypdesign för ett system för att omvandla solljus till lagringsbar vätgas som kunde användas för att producera elektricitet. Ett sådant system skulle kräva både tekniska och kommersiella genombrott för att skapa ekonomiskt bärkraftiga komponenter för vätgaslagring, solpaneler och bränsleceller. I oktober 2010 undertecknade Nocera ett avtal med Tata Group of India för att ytterligare stödja forskning och utveckling. Idealet var att skapa en fristående miniatyranläggning som kan ge tillräckligt med ”personlig energi” för att driva ett litet hem.
En sådan anordning skulle kunna förse hem i isolerade områden som för närvarande är otillgängliga med ström.
Under 2011 tillkännagav Nocera och hans forskargrupp att de skapat det första praktiska ”konstgjorda bladet”: en avancerad solcell i storleken av ett spelkort, som kan dela upp vatten till syre och vätgas med tio gånger högre effektivitet än den naturliga fotosyntesen. Solcellen av kisel var belagd med en tunn film av koboltkatalysator på ena sidan, över ett skyddsmembran för att förhindra att kiseln oxiderar, och en nickelbaserad katalysator på den andra sidan, för att dela upp vätgas från vatten. Det konstgjorda bladet fanns med på Time Magazines lista över de 50 bästa uppfinningarna 2011.
I maj 2012 meddelade dock Sun Catalytix att man inte skulle skala upp prototypen. Den dominerande kostnadsfaktorn, byggandet av den solcellsbaserade infrastrukturen, ansågs fortfarande vara för dyr för att ersätta befintliga energikällor. Nocera rapporterades vara ”avskräckt av utmaningarna med att föra ut tekniken på marknaden”. Trots detta fortsätter forskare vid Harvard och på andra håll att undersöka möjligheterna med det konstgjorda bladet och letar efter sätt att minska kostnaderna och öka effektiviteten.
LågkostnadsflödesbatteriEdit
I hopp om att utveckla en produkt som snabbare skulle kunna lanseras på marknaden omorienterade Sun Catalytix sin affärsmodell på att utveckla ett lågkostnads uppladdningsbart flödesbatteri som kan användas för lagring i nätskala och kommersiell skala. År 2014 förvärvades Sun Catalytix av Lockheed Martin, eftersom företaget var intresserat av att använda flödesbatteriet i sitt mikronät.
Protonkopplad elektronöverföringRedigera
Det andra området där Nocera anses vara en pionjär är protonkopplad elektronöverföring (PCET). Även om det inte var han som kom med idén att elektronöverföring och protonöverföring skulle kunna studeras som kopplade processer, publicerade han 1992 en av de grundläggande artiklarna som visar en modell för sådana studier. Genom att använda Zn-porfyrin som donator och 3,4-dinitrobenzoesyra som acceptor visade hans grupp fotoexcitation av Zn-porfyrin och en elektronöverföringsprocess som utnyttjar en vätebindning. Detta visade också att metoden är genomförbar som en modell för att studera biologisk energiomvandling. PCET har blivit en viktig teknik för att studera energiomvandling i biologiska processer på molekylär nivå.
Annan forskningEdit
Andra bidrag inkluderar syntes av ett S = 1/2 kagomegitter, av intresse för studiet av spinnfrustrationssystem och ledningsmekanismer i supraledare; utveckling av mikrofluidiska optiska kemosensorer för användning på mikro- och nanoskala; och tekniker för molekylär taggningshastighetskörning (MTV).
Nocera har publicerat över 225 artiklar. Han är medredaktör för Photochemistry and Radiation Chemistry (1998). Han har suttit i vetenskapliga rådgivande nämnder och redaktionsråd för flera stora företag. Han var den första redaktören för Inorganic Chemistry Communications och den första ordföranden för redaktionsrådet för ChemSusChem.