Abstract Carbon nanotubes are a promising material for various applications due to their unique collection of properties. However, carbon nanotube material as such is inert and insoluble, which hampers the true realization of its potential. In order to enhance the applicability of carbon nanotubes, their surface must be modified. This work concerned the chemical modification of single-walled carbon nanotubes (SWNT) by the Birch reduction, which is based on the reduction of the SWNT surface with the valence electron of alkali metal solvated in liquid ammonia. The reduction generates a SWNT anion, which reacts with electrophiles resulting in the covalent attachment of functional groups to the tube surface. In this work, aryl halides or alcohols were used as electrophiles to yield arylated or hydrogenated SWNTs, respectively. At first, the goal was to modify SWNTs as a filler material for polystyrene. The use of five halogenated ethenylphenyl derivatives as electrophiles revealed that the structure of electrophile affected the success of functionalization and the solubility of SWNTs in polystyrene-toluene solution. The most successful functionalization and solubilization of SWNTs were achieved with 1-chloro-4-ethenylbenzene. In the second part, liquid ammonia was replaced with a new solvent, 1-methoxy-2-(2-methoxyethoxy)ethane (diglyme) in order to avoid the restrictions, hazards and inconvenience of its handling. The work concentrated on the study of alkali metal reduction of SWNTs in diglyme by the use of arylation with 4-iodobenzoic acid or 4-chlorobenzoic acid and hydrogenation as model reactions. Li, Na or K was used as an alkali metal while naphthalene or 1-tert-butyl-4-(4-tert-butylphenyl)benzene was used in order to enhance the solvation of electrons. As a result, functionalization was simplified and enhanced. Electrophile affected the functionalization in such a way that arylation was significantly more successful than hydrogenation. The effect of alkali metal and electron carrier varied with electrophile. The most successful hydrogenation was achieved with the complex of Li and 1-tert-butyl-4-(4-tert-butylphenyl)benzene while arylation was the most successful with the complex of K and naphthalene. The solubility of SWNTs in water, ethanol, methanol and dimethylformamide was clearly improved by arylation whereas hydrogenation led to moderate improvement. / Tiivistelmä Hiilinanoputket ovat ainutlaatuisten ominaisuuksiensa vuoksi lupaava materiaali moniin sovelluksiin, mutta liukenemattomuus ja epäreaktiivisuus haittaavat niiden tehokasta hyödyntämistä. Käytettävyyttä voidaan parantaa kemiallisella modifioinnilla. Tässä työssä yksiseinäisiä hiilinanoputkia modifioitiin Birch-pelkistyksellä, joka perustuu putken pinnan pelkistykseen nestemäiseen ammoniakkiin solvatoituneella alkalimetallin valenssielektronilla. Pelkistyksessä hiilinanoputkesta muodostuu anioni, joka reagoi elektrofiilin kanssa johtaen funktionaalisten ryhmien kovalenttiseen sitoutumiseen putken pintaan. Tässä työssä hiilinanoputkia aryloitiin käyttämällä aryylihalideja elektrofiilinä tai vedytettiin käyttämällä alkoholia. Aluksi tavoitteena oli hiilinanoputkien modifiointi sellaiseen muotoon, että niitä voitaisiin käyttää polystyreenin täyteaineena. Viittä aryylihalidia käyttämällä havaittiin, että elektrofiilin rakenne vaikutti funktionalisoinnin määrään ja putkien liukoisuuteen polystyreeni-tolueeni-liuokseen. 1-Kloori-4-etenyylibentseenillä saavutettiin onnistunein arylointi ja paras liukoisuus. Työn toisessa osassa luovuttiin ammoniakin käytöstä siihen liittyvien rajoitteiden ja haittojen vuoksi. Keskityttiin hiilinanoputkien alkalimetallipelkistyksen tutkimiseen uudessa liuottimessa, 1-metoksi-2-(2-metoksietoksi)etaanissa (diglyymi). Mallireaktioina käytettiin arylointia 4-jodibentsoehapolla tai 4-klooribentsoehapolla ja vedytystä alkoholilla. Ammoniakin korvaaminen diglyymillä yksinkertaisti ja tehosti funktionalisointia. Reaktiot suoritettiin eri alkalimetalleilla (Li, Na tai K). Naftaleenia tai 1-tert-butyyli-4-(4-tert-butyylifenyyli)bentseeniä käytettiin elektronien solvatoinnin parantamiseksi. Elektrofiilin rakenne vaikutti funktionalisointiin siten, että aryylihalidi johti huomattavasti onnistuneempaan funktionalisointiin kuin alkoholi. Alkalimetallin ja elektroninkantajamolekyylin vaikutus vaihteli elektrofiilin mukaan. Litiumin käyttö 1-tert-butyyli-4-(4-tert-butyylifenyyli)bentseenin kanssa johti onnistuneimpaan vedytykseen. Kaliumin käyttö naftaleenin kanssa johti onnistuneimpaan arylointiin. Hiilinanoputkien liukoisuus vaihteli elektrofiilin mukaan. Arylointi paransi selkeästi hiilinanoputkien liukoisuutta veteen, etanoliin, metanoliin ja dimetyyliformamidiin. Vedytyksen vaikutus liukoisuuteen oli vähäisempi.

Abstract Degradation of the support and sintering of catalyst nanoparticles inherently leads to a loss of functionality of catalyst materials in converters and sensors. Malfunction in such devices may lead to serious economic and environmental damage. The quest for novel and sustainable catalyst materials with better durability is thus ongoing. In this thesis, one-dimensional nanomaterials such as carbon nanotubes and titanium dioxide nanowires are studied and compared to their conventional zero-dimensional counterparts in regard to their structural and functional stability. With the combination of several catalyst nanomaterials and supporting surfaces, aging properties of more than 70 different materials are assessed by the means of X-ray diffraction, transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray analyses. Although CNTs were shown to be thermally the most stable carbonaceous supports for metal nanoparticles, they are, similar to other carbon supports, more sensitive to high temperatures than metal oxide supports and can suffer deactivation by catalytic oxidation and gasification even at moderate temperatures. In addition, the irradiation of the samples with e-beams caused the most dramatic changes in CNT based materials, where nanosized deformities (voids, channels) were formed when either nanoparticles or defects were present. The prepared nanocompositions have been utilized successfully in three different applications including (i) synthesis of hydrogen from ethanol via a steam reforming reaction, (ii) hydrogenation of citral to form value added chemicals and (iii) the application of advanced electrode materials in electric double-layer capacitors. Both CNT and TiO₂ nanowire based nanomaterials were shown to outperform their conventional nano- and microparticle based counterparts in the studied catalytic reactions, i.e. in citral hydrogenation and steam reforming of ethanol, respectively. Furthermore, nanostructured CNTs obtained by catalytic partial oxidation of the material showed an increased specific surface area, which could be exploited in supercapacitor electrodes with enhanced specific capacitance. / Tiivistelmä Katalyyttitukimateriaalin pilaantuminen ja katalyyttinanopartikkelien sintrautuminen johtavat siihen, että muuntajissa ja sensoreissa käytettävät katalyyttiset materiaalit eivät enää toimi, mikä voi aiheuttaa sekä vakavia taloudellisia haittoja että ympäristöhaittoja. Tämän vuoksi kehitetään uusia kestävämpiä katalyyttimateriaaleja. Tässä väitöskirjassa tutkittiin yksiulotteisia nanomateriaaleja, kuten hiilinanoputkia sekä titaanidioksidinanojohtimia ja verrattiin niiden rakenteellista ja toiminnallista stabiiliutta perinteisiin nollaulotteisiin vastineisiin. Erilaisten katalyyttinanomateriaalien ja tukimateriaalien yhdistelmien ikääntymistä arvioitiin röntgendiffraktion, läpäisyelektronimikroskopian ja energiadispersiivisen röntgenanalyysin avulla yli 70 erilaisesta näytteestä. Vaikka hiilinanoputket osoittautuivat termisesti stabiileimmaksi hiilipohjaiseksi tukimateriaaliksi metallinanopartikkeleille, ne ovat kuten kaikki hiilimateriaalit, metallioksiditukimateriaaleja herkempiä korkeille lämpötiloille. Hiilinanoputkipohjaiset katalyytit voivat deaktivoitua katalyyttisen hapettumisen tai kaasuuntumisen vuoksi jo kohtalaisissa lämpötiloissa. Lisäksi elektronisäteellä säteilytetyt nanopartikkelit tai pintavirheitä sisältävät hiilinanoputkipohjaiset katalyytit olivat tutkituista nanomateriaaleista herkimpiä muodostamaan nanorakenteita (koloja, kanavia). Valmistettuja nanokomposiitteja käytettiin onnistuneesti kolmessa eri sovelluksessa: i) vedyn valmistuksessa etanolista höyryreformointireaktiolla, ii) hienokemikaalien valmistuksessa sitraalin hydrauksella sekä iii) elektrodimateriaalina EDLC-kondensaattorissa. Sekä hiilinanoputki- sekä TiO₂-nanojohdinpohjaiset nanomateriaalit toimivat testatuissa katalyyttisissa reaktioissa (etanolin reformointi sekä sitraalin hydraus) paremmin kuin niiden perinteiset vastineet. Lisäksi superkondensaattorin ominaiskapasitanssia onnistuttiin nostamaan lisäämällä hiilinanoputkipohjaisen elektrodin ominaispinta-alaa katalyyttisella hapetusreaktiolla.

Abstract The energy consumption around the globe is on the rise due to the exponential population growth and urbanization. There is a need for alternative and non-conventional energy sources, which are CO2-neutral, and a need to produce less or no environmental pollutants and to have high energy efficiency. One of the alternative approaches is hydrogen economy with the fuel cell (FC) technology which is forecasted to lead to a sustainable society. Hydrogen (H2) is recognized as a potential fuel and clean energy carrier being at the same time a carbon-free element. Moreover, H2 is utilized in many processes in chemical, food, metallurgical, and pharmaceutical industry and it is also a valuable chemical in many reactions (e.g. refineries). Non-renewable resources have been the major feedstock for H2 production for many years. At present, ~50% of H2 is produced via catalytic steam reforming of natural gas followed by various down-stream purification steps to produce ~99.99% H2, the process being highly energy intensive. Henceforth, bio-fuels like biomass derived alcohols (e.g. bio-ethanol and bio-glycerol), can be viable raw materials for the H2 production. In a membrane based reactor, the reaction and selective separation of H2 occur simultaneously in one unit, thus improving the overall reactor efficiency. The main motivation of this work is to produce H2 more efficiently and in an environmentally friendly way from bio-alcohols with a high H2 selectivity, purity and yield. In this thesis, the work was divided into two research areas, the first being the catalytic studies using metal decorated carbon nanotube (CNT) based catalysts in steam reforming of ethanol (SRE) at low temperatures (<450 °C). The second part was the study of steam reforming (SR) and the water-gas-shift (WGS) reactions in a membrane reactor (MR) using dense and composite Pd-based membranes to produce high purity H2. CNTs were found to be promising support materials for the low temperature reforming compared to conventional catalyst supports, e.g. Al2O3. The metal/metal oxide decorated CNTs presented active particles with narrow size distribution and small size (~2–5 nm). The ZnO promoted Ni/CNT based catalysts showed the highest H2 selectivity of ~76% with very low CO selectivity <1%. Ethanol was shown to be a more suitable and viable source for H2 than glycerol. The dense Pd-Ag membrane had higher selectivity but a lower permeating flux than the composite membrane. The MR performance is also dependent on the active catalyst materials and thus, both the catalyst and membrane play an important role. Overall, the membrane–assisted reformer outperforms the conventional reformer and it is a potential technology in pure H2 production. The high purity of H2 gas with a CO-free reformate for fuel cell applications can be gained using the MR system. / Tiivistelmä Maailman energiankulutus on kasvussa räjähdysmäisen väestönkasvun ja voimakkaan kaupungistumisen myötä. Tällä hetkellä energian tuottamisen aiheuttamat ympäristöongelmat ja taloudellinen epävarmuus ovat seikkoja, joiden ratkaisemiseksi tarvitaan vaihtoehtoisia ja ei-perinteisiä energialähteitä, joilla on korkea energiasisältö ja jotka tuottavat vähän hiilidioksidipäästöjä. Eräs vaihtoehtoisista lähestymistavoista on vetytalous yhdistettynä polttokennotekniikkaan, minkä on esitetty helpottavan siirtymistä kestävään yhteiskuntaan. Vety on puhdas ja hiilivapaa polttoaine ja energian kantaja. Lisäksi vetyä käytetään monissa prosesseissa kemian-, elintarvike-, metalli- ja lääketeollisuudessa ja se on arvokas kemikaali monissa prosesseissa (mm. öljynjalostamoissa). Uusiutumattomat luonnonvarat ovat olleet tähän saakka merkittävin vedyn tuotannon raaka-aine. Tällä hetkellä noin 50 % vedystä tuotetaan maakaasun katalyyttisellä höyryreformoinilla. Puhtaan (yli 99,99 %) vedyn tuotanto vaatii kuitenkin useita puhdistusvaiheita, jotka ovat erittäin energiaintensiivisiä. Integroimalla reaktio- ja puhdistusvaihe samaan yksikköön (membraanireaktori) saavutetaan huomattavia kustannussäästöjä. Biopolttoaineet, kuten biomassapohjaiset alkoholit (bioetanoli ja bioglyseroli), ovat vaihtoehtoisia lähtöaineita vedyn valmistuksessa. Tämän työn tavoitteena on tuottaa vetyä bioalkoholeista tehokkaasti (korkea selektiivisyys ja saanto) ja ympäristöystävällisesti. Tutkimus on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäisessä tutkittiin etanolin katalyyttistä höyryreformointia matalissa lämpötiloissa (<450 °C) hyödyntämällä metallipinnoitettuja hiilinanoputkia. Työn toisessa osassa höyryreformointia ja vesikaasun siirtoreaktioa tutkittiin membraanireaktorissa käyttämällä vedyn tuotantoon tiheitä palladiumpohjaisia kalvoja sekä huokoisia palladiumkomposiittikalvoja. Hiilinanoputket (CNT) havaittiin lupaaviksi katalyyttien tukimateriaaleiksi verrattuna tavanomaisesti valmistettuihin tukiaineisiin, kuten Al2O3. CNT-tukiaineelle pinnoitetuilla aktiivisilla aineilla (metalli-/metallioksidit) todettiin olevan pieni partikkelikoko (~2–5 nm) ja kapea partikkelikokojakauma. Sinkkioksidin (ZnO) lisäyksellä Ni/CNT-katalyytteihin saavutettiin korkea vetyselektiivisyys (~76 %) ja erittäin alhainen hiilimoksidiselektiivisyys (<1 %). Etanolin todettiin olevan parempi vedyn raaka-aine kuin glyserolin. Tiheillä Pd-Ag-kalvoilla havaittiin olevan vedyn suhteen korkeampi selektiivisyys mutta matalampi vuo verrattuna palladiumkomposiittikalvoihin. Membraanireaktorin suorituskyky oli riippuvainen myös katalyytin aktiivisuudesta, joten sekä kalvolla että katalyyttimateriaalilla oli merkittävä rooli kyseisessä reaktorirakenteessa. Yhteenvetona voidaan todeta, että membraanierotukseen perustuva reformointiyksikkö on huomattavasti perinteistä reformeriyksikköä suorituskykyisempi mahdollistaen tehokkaan teknologian puhtaan vedyn tuottamiseksi. Membraanitekniikalla tuotettua puhdasta vetyä voidaan hyödyntää mm. polttokennojen polttoaineena.

Abstract The objective of this thesis is to demonstrate multi-dimensional carbon nanotube (CNT) structures in combination with various active materials in order to evaluate their performance in electrode applications such as cold emitters, electric double-layer capacitors (EDLC), and electrochemical sensor/catalyst devices. As the host materials for other active materials, the construction of multi-dimensional CNT nanostructures in this thesis is achieved by two different approaches. In the first, direct growth of 3-dimensional carbon nanostructures by catalytic chemical deposition to produce filamentary carbon as well as vertically aligned forests was applied. The second route that was utilized encompassed the immobilization of CNTs from dispersions to form 2-dimensional surface coatings as well as self-supporting porous buckypapers. Carbonaceous nanocomposites of the active materials are obtained by a number of different methods such as (i) growing nanotubes and filamentous structures on porous Ni catalyst structures, (ii) impregnating CNTs with organic receptor molecules or with Pd nanoparticles, (iii) plating and replacing Cu with Pd on the nanotubes by chemical and galvanic reactions, (iv) annealing W evaporated on CNTs to form CNT-WC composites in solid-solid reactions and (v) reacting S vapor with W coated on CNTs to synthesize CNT-WS2 edge-on lamellar structures of the dichalcogenide in the vertically aligned CNT forests. The 3-dimensional carbon-Raney®Ni composite electrodes show reasonable specific capacitance of ~12 F·g-1 in electric double-layer capacitors as well as a low turn-on field (<1.0 V·µm-1) in field emitter devices. CNT-Nafion®-trifluoroacetylazobenzene coatings on glassy carbon electrodes outperform their Nafion®-trifluoroacetylazobenzene counterparts in electrochemical sensing of different amine compounds (e.g. 10 mM cadaverine, putrescine or ammonia). Cu and CuPd/buckypaper composites display catalytic activity in electrocatalytic oxidation of methanol in alkaline media. On the other hand, nanocomposites of WC and WS2 with aligned CNT forest exhibit a promising performance in hydrogen evolution reactions with an overpotential between -0.5 and -0.7 V at pH~1. In addition, these respective CNT forest aligned nanocomposites also demonstrate a novel method to obtain macroscopic 3-dimensional catalytic electrode assemblies. The results in this thesis elucidate the combination of carbon based nanostructures with organic and inorganic materials as a feasible and versatile approach to produce electrodes for several applications. The following studies of each active carbonaceous composite are expected to boost the technological innovation in relevant fields and initiate further development for commercial exploitation. / Tiivistelmä Työn tavoitteena oli demonstroida moniulotteisia hiilinanoputkirakenteita (CNT), joihin yhdistetään erilaisia aktiivisia materiaaleja sekä arvioida niiden suorituskykyä elektrodisovelluksissa, kuten kenttäemitterissä, sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja sähkökemiallisissa anturi- ja katalyyttikomponenteissa. Moniulotteisten CNT-nanorakenteiden konstruoiminen muiden aktiivisten materiaalien isäntämateriaaliksi toteutettiin kahdella tavalla. Ensimmäisessä toteutuksessa sovellettiin katalyyttis-kemiallista pinnoitusta, jolla kasvatettiin suoraan kolmiulotteisia hiilinanorakenteita sekä kuitumaisena hiilenä että pystysuuntaan orientoituneina hiilinanoputkimetsinä. Toinen päämenetelmä oli hiilinanoputkien immobilisointi dispersioista kaksiulotteisiksi pinnoitteiksi ja itsetukeutuviksi huokoisiksi hiilinanoputkipapereiksi. Hiiltä sisältäviä aktiivisten materiaalien nanokomposiitteja valmistettiin useilla menetelmillä, kuten (i) kasvattamalla nanoputkia ja kuitumaisia rakenteita huokoisiin Ni-katalyyttirakenteisiin, (ii) kyllästämällä hiilinanoputkia orgaanisilla reseptorimolekyyleillä tai Pd-nanopartikkeleilla, (iii) pinnoittamalla ja korvaamalla nanoputkien päällä olevaa kuparia palladiumilla kemiallisten ja galvaanisten reaktioiden avulla, (iv) hehkuttamalla hiilinanoputkien pinnalle höyrystettyä wolframia (W) muodostamaan CNT-WC-komposiitteja kiinteä–kiinteä-reaktiolla sekä (v) antamalla rikkihöyryn reagoida W-pinnoitettujen hiilinanoputkien kanssa lamellaaristen CNT-WS2-kalkogenidirakenteiden syntetisoimiseksi pystysuuntaan orientoituneisiin CNT-metsiin. Kolmiulotteisilla hiili–Raney®Ni-komposiittielektrodeilla saavutetaan kohtuullinen ominaiskapasitanssi (~12 F·g-1) sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja pieni kytkeytymiskenttä (<1,0 V·μm-1) kenttäemitterikomponenteissa. CNT-Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet lasimaisilla hiilielektrodeilla ovat selvästi parempia erilaisten amiiniyhdisteiden (esimerkiksi 10 mM kadaveriini, putreskiini tai ammoniakki) sähkökemiallisessa havaitsemisessa kuin vastaavat Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet. Cu- ja CuPd-hiilinanoputkipaperikomposiitit osoittavat katalyyttistä aktiivisuutta metanolin sähkökatalyyttisessä hapettumisessa emäksisessä väliaineessa. Toisaalta WC- ja WS2-yhdisteiden ja orientoituneiden CNT-metsien muodostamat nanokomposiitit osoittavat lupaavaa suorituskykyä vedynmuodostamisreaktiossa -0,5…-0,7 V ylipotentiaalilla, ja nämä myös demonstroivat uutta menetelmää makroskooppisten kolmiulotteisten katalyyttisten elektrodirakenteiden toteuttamiseksi. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että hiilipohjaisten nanorakenteiden ja orgaanisten/epäorgaanisten materiaalien yhdistäminen on toteuttamiskelpoinen ja monipuolinen lähestymistapa elektrodien valmistamiseksi useisiin sovelluksiin. Kunkin työssä esitetyn aktiivista hiiltä sisältävän komposiitin tutkimuksen odotetaan lisäävän kyseisen alan teknisiä innovaatioita ja synnyttävän lisää kehitystyötä tutkimuksen kaupalliseksi soveltamiseksi.