Abstract Biomass gasification as a thermochemical treatment method is typically used for heat and power production. Instead of burning the producer gas, it can be converted to added-value products, i.e to fuels and chemicals. One such conversion is the catalytic Fischer-Tropsch synthesis (FTS) which converts synthesis gas to a chain of aliphatic hydrocarbons (FT diesel) as studied in this thesis. This requires, however, proper cleaning steps of producer gas, such as the removal of tar compounds and other impurities. These cleaning steps are not considered in this thesis. The first goal of the thesis was to determine the tar content in the producer gas from a small scale biomass gasifier. This subject is discussed in Paper I. The second and main goal of the thesis was the preparation and characterization of cobalt (or iron) catalysts for catalytic conversion of a gas mixture close to the synthesis as discussed in Papers II-V. The overall aim of the second part was to study the effects of promoters on the reducibility of cobalt and the effects of different calcination conditions on the degree of reduction and size of the metallic cobalt particles. In this later part different catalytic supports were used. According to the results of the thesis, naphthalene and toluene were the main tar compounds in the producer gas representing almost 80 % of the GC detected tar compounds. Only traces of polycyclic aromatic compounds were detected and no phenolic compounds were found in the gas. Further, a number of supported heterogeneous catalysts for FTS using cobalt (Co) or in some cases iron (Fe) as the active metal were prepared and characterized. These catalysts were supported on alumina (Al2O3), titanium dioxide (TiO2) or silicon carbide (SiC). Catalysts were promoted with Ru, Re or Rh in the concentrations of 0, 0.2, 0.5, and 1.0 mass-%. Several characterization methods (such as H2-TPR, catalytic activity measurements, N2 physisorption, CO chemisorption, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and X-ray diffraction (XRD)) were used to find answers to the behaviour of these catalysts under selected conditions and in the model reaction of FTS. Based on the results, there are significant differences in the characteristics of the catalysts, the differences are dependent of the supports used, promoters added and calcination conditions used. The properties of the support, especially the pore size distribution will effect the distribution of products formed in the Fischer-Tropsch synthesis. Addition of promoters and variatons in calcination conditions will effect the dispersion and the particle size of the active metal. / Tiivistelmä Biomassan kaasutus on termokemiallinen prosessi, jota käytetään pääosin sähkön- ja lämmöntuotannossa. Polton sijaan kaasutuksessa muodostuva synteesikaasu voidaan puhdistaa ja hyödyntää edelleen katalyyttisesti polttoaineiden ja kemikaalien valmistuksessa. Eräs mahdollisuus synteesikaasun hyödyntämiseen on Fischer-Tropsch synteesi (FTS), jossa koboltti- tai rautakatayyteillä voidaan tuottaa alifaattisia hiilivetyketjuja (FT-dieseliä), mitä on tutkittu tässä työssä. FT-synteesi vaatii kuitenkin puhtaan tuotekaasun ja sen vuoksi tervayhdisteet ja muut epäpuhtaudet on poistettava kaasusta. Kaasun puhdistusta ei ole kuitenkaan tutkittu tässä työssä. Työn ensimmäisenä tavoitteena oli määrittää biomassan kaasutuksessa käytettävän pienikokoisen myötävirtakaasuttimen kaasun koostumus ja tervayhdisteet ja niiden pitoisuudet (julkaisu I). Toisena, ja tämän työn päätavoitteena oli Fischer-Tropsch -synteesissä käytettävien koboltti- ja rautakatalyyttien valmistus ja karakterisointi sekä käyttö synteesikaasun katalyyttisessä konvertoinnissa (julkaisut II-V). Erityisesti tutkittiin promoottorimetallien ja kalsinointiolosuhteiden vaikutusta koboltin pelkistymiseen ja kobolttimetallipartikkelien kokoon. Lisäksi tutkittiin ja vertailtiin erilaisia tukiaineita. Työn tulosten perusteella naftaleiini ja tolueeni olivat pääasialliset tervayhdisteet myötävirtakaasuttimen tuotekaasussa ja niiden osuus oli yli 80 % kaasukromatografisesti havaittavista tervayhdisteistä. Lisäksi havaittiin pieniä määriä polysyklisiä aromaattisia yhdisteitä, kun taas fenolisia yhdisteitä ei havaittu tuotekaasussa. Työssä valmistettiin ja karakterisoitiin lukuisa määrä erilaisia FT-katalyyttejä, joissa aktiivisena metallina oli koboltti tai rauta. Katalyyteissä tukiaineena oli alumiinioksidi (Al2O3), titaanidioksidi (TiO2) tai piikarbidi (SiC) ja promoottorimetallina joko Ru, Re tai Rh (pitoisuudet 0, 0.2 tai 1.0 massa-%). Katalyyttien karakterisointiin käytettiin useita menetelmiä, kuten H2-TPR, N2-adsorptio, CO-kemisorptio, XPS, XRD ja lisäksi määritettiin katalyyttien aktiivisuus ja selektiivisyys valituissa olosuhteissa FT-synteesin mallireaktioissa. Tulosten perusteella katalyyttien välillä havaittiin selkeitä eroja riippuen käytetystä tukiaineesta, promoottorista ja kalsinointiolosuhteista. Tukiaineen ominaisuudet, erityisesti huokoskokojakauma vaikuttavat FT-synteesin tuotejakaumaan. Promoottorien lisäys katalyyttiin sekä kalsinointiolosuhteet vaikuttavat lisäksi dispersioon ja aktiivisen metallien partikkelikokoon.

Abstract The work in this thesis concentrates on finding more active and durable catalysts for the demanding environmental application of the oxidation of sulfur-containing volatile organic compounds (S-VOCs). This application is challenging due to the high purification levels required and the catalyst deactivating nature of sulfur. In this thesis, dimethyldisulfide (DMDS) was used as the model molecule to represent S-VOCs since it is often present in odorous emissions and it is more difficult to treat than most of the other S-VOCs. It was found that the addition of a very small amount of Pt (0.3%) especially improves the selectivity of copper oxide based catalysts towards complete oxidation products ((carbon dioixide (CO2), water (H2O) and sulfur dioxide (SO2)) in DMDS oxidation. Catalyst characterization by transmission electron microscopy, temperature programmed reduction and X-ray photoelectron spectroscopy analyses suggests that this promoting effect is most likely due to the close interaction between Cu and Pt species on the bimetallic PtCu/γ-Al2O3 catalyst. The drawback of using the Al2O3 support is that it is not resistant towards sulfur poisoning. The deactivation of the self-made catalysts was studied with the help of an accelerated ageing procedure that was developed based on the information from the industrially aged volatile organic compound (VOC) catalysts. Industrial deactivation was caused by the sintering of the support and active metals and by the formation of metal sulfates with the support. After accelerated ageing, the silica doped alumina (Al2O3)0.8(SiO2)0.2 supported catalyst, showed remarkably promising results in terms of stability towards sulfur poisoning and the activity in DMDS oxidation was very close to that of the most active PtCu/Al2O3. The addition of less than 20% of SiO2 on the Al2O3 support led to a catalyst that is more selective and resistant to sulfur poisoning. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tuotetaan uutta tietoa rikkipitoisten orgaanisten yhdisteiden (S-VOC) hapetukseen soveltuvien uusien katalyyttisten materiaalien synteesistä ja karakterisoinnista. S-VOC-yhdisteiden käsittely on vaativa katalyyttisen polton sovellus, koska näiden päästöjen käsittely edellyttää korkeaa puhdistustehoa, ja lisäksi yhdisteiden sisältämä rikki on katalyyttimyrkky. Tässä väitöskirjassa valittiin S-VOC-yhdisteitä edustavaksi malliaineeksi dimetyylisulfidi (DMDS), koska se on usein mukana käsiteltävissä S-VOC-päästöissä ja sen käsittely on vaativampaa kuin useiden muiden S-VOC-yhdisteiden käsittely. Tutkimustulosten mukaan hyvin pieni Pt-lisäys (0.3 %) parantaa erityisesti kuparioksidikatalyyttien selektiivisyyttä DMDS:n kokonaishapetustuotteiksi (CO2, H2O, SO2). Katalyyttien karakterisoinnin (läpäisyelektronimikroskopia, lämpötilaohjattu pelkistysreaktio, röntgensädefotoelektronispektroskopia) perusteella voidaan esittää parannuksen syyksi kuparin ja platinan läheinen kontakti bimetallisen PtCu/γ-Al2O3-katalyytin pinnalla. Al2O3-tukiaineen heikkoutena on sen deaktivoitumisherkkyys rikkiyhdisteiden läsnä ollessa. Väitöskirjatyössä valmistettujen katalyyttien deaktivitumista tutkittiin laboratoriomittakaavassa nopeutettujen ikäytyskokeiden avulla, jotka kehitettiin teollisessa käytössä deaktivoituneen katalyytin karakterisointien avulla saadun tiedon perusteella. Teollisessa käytössä olleen katalyytin deaktivoitumisen syyksi havaittiin tukiaineen ja aktiivisten metallien sintrautuminen sekä metallisulfidien muodostuminen tukiaineen kanssa. Nopeutettujen ikäytyskokeiden tulosten perusteella havaittiin, että piidioksidin lisäys alumiinioksiditukiaineeseen paransi tukiaineen rikin kestoa merkittävästi. Tutkimuksissa havaittiin myös, että piidioksidilla muokatun katalyytin aktiivisuus oli hyvin lähellä vastaavaa PtCu/γ-Al2O3-katalyytin aktiivisuutta. DMDS:n hapetuksessa selektiivisempi ja stabiilimpi katalyytti voidaan aikaansaada alle 20 %:n SiO2-lisäyksellä Al2O3-tukiaineeseen.

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 Exhaust gas emissions, e.g. nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HCs) and carbon monoxide (CO), are harmful to human health and the environment. Catalysis is an efficient method to decrease these emissions. Unfortunately, the fuels and lubricant oils may contain chemical impurities that are also present in exhaust gases. Thus, catalytic materials with high activity and chemical resistance towards impurities are needed in the abatement of exhaust gas emission. In this thesis, the aim was to gain new knowledge about the effects of chemical impurities on the behaviour and activity of the catalysts. To find out these effects, the impurities existing in the exhaust gas particulate matter after combustion of biofuels and fossil fuels were analysed. The studied zeolite (ZSM-5), cerium-zirconium mixed oxides (CeZr and ZrCe) and silicon-zirconium oxide (SiZr) based catalysts were also treated with impurities to simulate the poisoning of the catalysts by, e.g. potassium, sodium, phosphorus and sulphur, using gas or liquid phase treatments. Several characterization techniques were applied to find out the effects of impurities on catalysts’ properties. The activity of catalysts was tested in laboratory-scale measurements in CO and HC oxidation and NOx reduction using ammonia (NH3) and hydrogen (H2) as reductants. The results revealed that the CeZr based catalysts had a high activity in NOx reduction by NH3 and moderate activity by H2. Sulphur was proven to enhance the activity of CeZr catalysts in NOx reduction. This is due to an increase in chemisorbed oxygen after the sulphur treatment on the catalyst surface. Instead, in HC and CO oxidation reactions, sulphur had a negligible impact on the activity of the SiZr based diesel oxidation catalyst. Thus, both CeZr and SiZr based catalysts can be utilized in exhaust gas purification when sulphur is present. ZSM-5 based catalysts were proven to be resistant to potassium and sodium. Alternatively, the activity of SiZr based catalysts decreased due to phosphorus. Thus, the removal of biomaterial-based impurities from the exhaust gases is needed to retain high catalyst activity in the exhaust gas after-treatment system. / Tiivistelmä Pakokaasupäästöissä olevat typen oksidit (NOx), hiilivedyt (HCs) ja hiilimonoksidi (CO) ovat haitallisia ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Katalyysi on tehokas menetelmä vähentää näitä päästökomponentteja. Polttoaineet ja voiteluöljyt sisältävät epäpuhtauksia, jotka siirtyvät myös pakokaasuihin. Tästä johtuen pakokaasupäästöjen hallinnassa tarvitaan katalyyttimateriaaleja, joilla on hyvä vastustuskyky myrkyttymistä vastaan. Tavoitteena oli saada uutta tietoa kemiallisten epäpuhtauksien vaikutuksesta katalyyttien toimintaan. Biopolttoaineiden sisältämät mahdolliset epäpuhtaudet selvitettiin analysoimalla fossiilisen ja biopolttoaineen palamisessa muodostuvia partikkeleita ja vertaamalla niitä polttoaineiden hivenaineanalyysiin. Tutkimuksessa käytetyt zeoliitti (ZSM-5), cerium-zirkonium-sekaoksidi (CeZr) ja pii-zirkonium-oksidipohjaiset (SiZr) katalyytit käsiteltiin epäpuhtauksilla (kalium, natrium, fosfori ja rikki) kaasu- ja nestefaasissa. Tutkimuksessa käytettiin useita karakterisointitekniikoita, joiden avulla selvitettiin epäpuhtauksien vaikutuksia katalyyttien ominaisuuksiin. Katalyyttien toimintaa testattiin laboratoriomittakaavan kokeissa CO:n ja HC-yhdisteiden hapetuksessa sekä NOx:ien pelkistyksessä käyttäen ammoniakkia (NH3) tai vetyä (H2) pelkistimenä. Tulokset osoittavat, että CeZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus NOx:ien pelkistyksessä oli hyvä käytettäessä pelkistimenä NH3:a ja kohtalainen käytettäessä vetyä. Rikki paransi CeZr-katalyyttien aktiivisuutta NOx:ien pelkistyksessä, mikä johtui kemiallisesti sitoutuneen hapen osuudesta katalyyttien pinnoilla. Vastaavasti hiilivetyjen ja CO:n hapetusreaktioissa rikki ei vaikuttanut SiZr-pohjaisten dieselhapetuskatalyyttien aktiivisuuteen. Sekä CeZr- ja SiZr-pohjaisia katalyytteja voidaan siten käyttää rikkiä sisältävien pakokaasujen puhdistuksessa. SiZr-pohjaisten katalyyttien aktiivisuus laski fosforin vuoksi. ZSM-5-pohjaiset katalyytit olivat vastustuskykyisiä kaliumille ja natriumille. Kestäviä katalyyttejä on siten kehitettävä, mikäli biopolttoaineiden sisältämien epäpuhtauksien poistaminen polttoaineista ei ole mahdollista.

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.