JPH10263416A - 排ガス浄化用触媒 - Google Patents

排ガス浄化用触媒

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JPH10263416A
JPH10263416A JP10004757A JP475798A JPH10263416A JP H10263416 A JPH10263416 A JP H10263416A JP 10004757 A JP10004757 A JP 10004757A JP 475798 A JP475798 A JP 475798A JP H10263416 A JPH10263416 A JP H10263416A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】NOx 浄化能をさらに向上させるとともに、N
x 吸蔵材の硫黄被毒を抑制して耐久性を向上させる。 【解決手段】触媒担持層の表面からの深さ100μm以
内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の80%以上
を占めるようにした。排ガスとNOx 吸蔵材及び触媒貴
金属との接触確率が高く維持され、NOx 吸蔵材の硫黄
被毒によって生ずる硫酸塩も容易に分解してNOx 吸蔵
能が復活する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車などの内燃
機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化用触媒
に関し、さらに詳しくは、酸素過剰の排ガス、すなわち
排ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)、水素(H2
及び炭化水素(HC)等の還元性成分を完全に酸化する
のに必要な酸素量より過剰の酸素を含む排ガス中の、窒
素酸化物(NOx )を効率良く還元浄化できる排ガス浄
化用触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より自動車の排ガス浄化用触媒とし
て、理論空燃比(ストイキ)において排ガス中のCO及
びHCの酸化とNOx の還元とを同時に行って浄化する
三元触媒が用いられている。このような三元触媒として
は、例えばコーディエライトなどからなるハニカム形状
の担体基材にγ−アルミナからなる触媒担持層を形成
し、その触媒担持層に白金(Pt)、ロジウム(Rh)
などの触媒貴金属を担持させたものが広く知られてい
る。
【0003】一方、近年、地球環境保護の観点から、自
動車などの内燃機関から排出される排ガス中の二酸化炭
素(CO2 )が問題とされ、その解決策として酸素過剰
雰囲気において希薄燃焼させるいわゆるリーンバーンが
有望視されている。このリーンバーンにおいては、燃料
の使用量が低減されるため、その燃焼排ガスであるCO
2 の発生を抑制することができる。
【0004】これに対し、従来の三元触媒は、空燃比が
理論空燃比(ストイキ)において排ガス中のCO,H
C,NOx を同時に酸化・還元し浄化するものであっ
て、リーンバーン時の排ガスの酸素過剰雰囲気下におい
ては、NOx の還元除去に対して充分な浄化性能を示さ
ない。このため、酸素過剰雰囲気下においてもNOx
浄化しうる触媒及び浄化システムの開発が望まれてい
た。
【0005】そこで本願出願人は、先にBaなどのアル
カリ土類金属とPtをアルミナなどの触媒担持層に担持
した排ガス浄化用触媒(例えば特開平5−317625
号公報)を提案している。この排ガス浄化用触媒を用
い、空燃比をリーン側からパルス状にストイキ〜リッチ
側となるように制御することにより、リーン側ではNO
x がアルカリ土類金属(NOx 吸蔵材)に吸蔵され、そ
れがストイキ又はリッチ側でHCやCOなどの還元性成
分と反応して浄化されるため、リーンバーンにおいても
NOx を効率良く浄化することができる。
【0006】ところで、浄化性能を向上させるには、排
ガスと触媒貴金属及びNOx 吸蔵材との接触確率を高く
することが必要となる。そのため触媒担持層には比表面
積の高い活性アルミナを用いるのが主流である。また担
体基材としては、幾何表面積を大きくするためにセル密
度が400セル/inch2 程度のハニカム担体基材が一般
的に用いられている。
【0007】さらに、触媒貴金属とNOx 吸蔵材を充分
に分散させるためには、触媒担持層の絶対量が大きいほ
ど好ましいが、触媒担持層が厚くなるとハニカム通路が
狭くなり排ガスの通気抵抗が増大するという不具合があ
る。そのため、セル密度が400セル/inch2 程度のハ
ニカム担体基材を用いた従来の排ガス浄化用触媒では、
触媒担持層の形成量はハニカム担体基材1リットル当た
り120〜240g程度とされている。
【0008】なお、ハニカム担体基材のセル壁に触媒担
持層を形成するには、活性アルミナが主体の水性スラリ
ー中に担体基材を浸漬し、引き上げた後一端面からブロ
ーすることでセル内の余分なスラリーを吹き払った後、
乾燥・焼成して形成する方法が一般的である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが上記したNO
x 吸蔵材を担持した排ガス浄化用触媒においては、燃料
に含まれている硫黄(S)成分が酸化されてSO2 とな
り、それが触媒上でさらに酸化されて生成したSO3
SO4 がNOx 吸蔵材と反応する。これによりNOx
蔵材が硫酸塩となるためNOx 吸蔵作用が消失し、NO
x の還元浄化が困難となるという不具合がある。この現
象は、NOx 吸蔵材の硫黄被毒と称されている。
【0010】なお、硫酸塩となったNOx 吸蔵材は、そ
の結晶化が進行する前の初期段階では、例えば650℃
以上のリッチ又はストイキ雰囲気下での還元により、N
x吸蔵材として再生され得る。しかし硫酸塩の結晶化
が進行すると、もはやリッチ雰囲気においても硫酸塩の
還元が困難となり、NOx 浄化性能が大幅に低下する。
【0011】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、NOx 浄化能をさらに向上させるととも
に、NOx 吸蔵材の硫黄被毒を抑制して耐久性を向上さ
せることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の排ガス浄化用触媒の特徴は、ハニカム形状の担体基
材と、担体基材のセル壁表面に形成された触媒担持層
と、触媒担持層に担持された触媒貴金属及びNOx 吸蔵
材と、からなる排ガス浄化用触媒において、触媒担持層
は、その表面から深さ100μm以内に存在する部分が
触媒担持層の体積全体の80%以上を占めることにあ
る。
【0013】
【発明の実施の形態】NOx 吸蔵・放出作用とSOx
蔵・放出作用は基本的に同一の作用と考えられ、リーン
雰囲気でNOx 吸蔵材に吸蔵されたNOx 又はSOx
ストイキ〜リーン雰囲気で放出されて還元されるのであ
る。したがって吸蔵・放出の効率は、NOx 又はSOx
とNOx 吸蔵材との接触確率に依存する。そしてNOx
又はSOx とNOx 吸蔵材との接触確率は、ガス拡散の
性質上、触媒担持層の表面から担持されているNOx
蔵材までの距離に大きく依存するはずである。
【0014】一方、活性アルミナから触媒担持層を形成
する際に用いられるスラリーは、表面張力の大きな水を
分散媒としている。したがって、そのスラリーを付着さ
せて形成される触媒担持層は、スラリーは表面張力によ
り開口部の断面が円形になろうとするため、図9に示す
ようにハニカム担体基材のセル壁表面に不均一な厚さで
形成されることとなる。
【0015】そこで本発明者は、触媒担持層の厚さとN
x 吸蔵・放出能及び硫黄被毒の程度を調査した。その
結果、表面近傍の浅い部分がNOx 及びSOx の吸蔵・
還元の効率が高く、深い場所に存在するNOx 吸蔵材ほ
ど効率が低くなることが判明した。この理由は、リッチ
スパイクのような0.1〜数秒以内の短時間の還元雰囲
気では、排ガスが触媒担持層の深部まで浸透することが
困難であるため、排ガス中の還元成分と深部のNOx
蔵材に吸蔵されているNOx 又はSOx との接触が困難
となるためであろう、と推察される。
【0016】なお、担体基材1リットルに対して100
g以下とするなど、触媒担持層を薄くすればNOx 吸蔵
材のほとんどを有効利用できるが、先に述べたように触
媒貴金属やNOx 吸蔵材の分散状態が低下し、反応効率
は逆に低下してしまう。また熱による凝集も生じ易くな
るので、触媒担持層を薄くするにも限度がある。以上の
ことから、触媒担持層内の成分の重量比や全体量は従来
と同等に維持しつつ、その厚さをできるだけ均一にする
ことが望ましいことが明らかとなった。
【0017】本発明者は、このような知見に基づいて鋭
意研究を進めた結果、触媒担持層の表面からの深さと、
その深さの分布に最適値が存在することを発見し、本発
明を完成したものである。すなわち本発明の排ガス浄化
用触媒では、表面から深さ100μm以内に存在する部
分が触媒担持層の体積全体の80%以上を占めている。
これにより排ガスとNOx 吸蔵材及び触媒貴金属との接
触確率が高く維持され、リーン時のNOx吸蔵能及びリ
ッチパルス時のNOx 放出還元能が高まるためNOx
化性能が向上する。
【0018】またNOx 吸蔵材とSOx との反応も生じ
て硫酸塩が生成するものの、リッチパルス時においても
排ガスと硫酸塩との接触が円滑に行われるため、結晶成
長する前に硫酸塩からSOx が放出されてSO2 に還元
されるとともに、NOx 吸蔵材のNOx 吸蔵能が復活す
る。これにより硫黄被毒が抑制され、高いNOx 浄化能
が長期間維持される。
【0019】表面から深さが100μm以内に存在する
部分が触媒担持層の体積全体の80%未満であると、上
記作用が奏されるのが困難となり、初期のNOx 浄化能
が低いとともに耐久後のNOx 浄化率の低下度合いが著
しく大きくなってしまう。触媒担持層の表面から深さ1
00μm以内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の
80%以上を占めるようにするには、例えばハニカム担
体の断面積を一定としてセル数を多くする方法がある。
これによりセル壁面の表面積が増大するため、触媒担持
層の形成量を一定とすれば触媒担持層の深さが薄くな
り、表面から深さが100μm以内に存在する部分が触
媒担持層の体積全体の80%以上を占めるようにするこ
とができる。セル数を多くするのみで表面から深さが1
00μm以内に存在する部分が触媒担持層の体積全体の
80%以上を占めるようにするには、セル密度を600
セル/inch2 を超えるようにすることが望ましい。しか
しセル密度が1200セル/inch2 を超えると、通気抵
抗が大きくなって圧力損失が大き過ぎるため、現状の内
燃機関用の排ガス浄化用触媒としては相応しくない。
【0020】また従来と同様のスラリー法を用いて触媒
担持層を形成する場合においては、ハニカム担体のセル
の断面形状を六角形以上、さらには円形とすることも好
ましい。これにより、スラリーの表面張力とセル壁面形
状とのバランスがよくなり、従来と同様に触媒担持層を
形成するだけで、表面から深さが100μm以内に存在
する部分が触媒担持層の体積全体の80%以上を占める
ようにすることができる。ただ、複数のセルを限られた
容積内に多数個配置するには、断面形状を正六角形とす
るのが望ましい。それより辺の多い多角形や円形の断面
形状では、セル以外の部分のデッドスペースが多くなる
ため好ましくない。
【0021】ハニカム担体のセルの断面形状を六角形と
するには、そのようにハニカム担体を作製してもよい
し、断面四角形のセルをもつ場合には断面の四隅に充填
材を充填して断面を略八角形とすることもできる。但
し、充填材の分だけセルの容積が低下して通気抵抗が上
昇するので、ハニカム担体基材自体をセル断面が六角形
以上になるように形成することが望ましい。
【0022】なお、プロパノールなどの表面張力の小さ
な液体を用いてスラリーを調製し、それをハニカム担体
にコートして触媒担持層を形成しても、水の場合に比べ
て触媒担持層の厚さを均一とすることが可能である。し
かし有機溶媒を用いる場合には、大気汚染を防止するた
めの手段が必要となって設備の費用が嵩み、またコート
回数が増大する場合もあって工数が増大するという問題
がある。
【0023】ハニカム担体としては、コーディエライト
などの耐熱性無機酸化物からなるモノリス担体基材や、
金属製のメタル担体基材を用いることができる。触媒担
持層の材質としては、γ−アルミナ、θ−アルミナ、シ
リカ、ジルコニア、チタニア、シリカ−アルミナ、ゼオ
ライトなどから一種又は複数種を選択して用いることが
できる。
【0024】触媒貴金属としては、白金(Pt)、ロジ
ウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(I
r)、オスミウム(Os)、銀(Ag)などが例示され
る。また、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、ニッケル
(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)などの卑
金属を併用してもよい。その担持量は、いずれの貴金属
でも、触媒担持層100gに対して0.1〜20gが好
ましく、0.5〜10gが特に好ましい。触媒貴金属の
担持量をこれ以上増加させても活性は向上せず、その有
効利用が図れない。また触媒貴金属の担持量がこれより
少ないと、実用上十分な活性が得られない。
【0025】NOx 吸蔵材としては、アルカリ金属、ア
ルカリ土類金属及び希土類金属から選ばれる少なくとも
一種の元素を用いることができる。アルカリ金属として
はリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム
(K)、セシウム(Cs)が挙げられる。また、アルカ
リ土類金属とは周期表2A族元素をいい、マグネシウム
(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(S
r)、バリウム(Ba)が挙げられる。また希土類金属
としてはランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセ
オジム(Pr)などが挙げられる。
【0026】NOx 吸蔵材の担持量は、触媒担持層10
0gに対して0.01〜1.0モルの範囲が望ましい。
担持量が0.01モルより少ないとNOx 吸蔵能力が小
さくNOx 浄化性能が低下し、1.0モルを超えて含有
しても、NOx 吸蔵能力が飽和すると同時にHCのエミ
ッションが増加するなどの不具合が生じる。なお、NO
x 吸蔵材及び触媒貴金属を触媒担持層に担持させるに
は、その塩化物や硝酸塩等を用い、含浸法、噴霧法、ス
ラリー混合法などを利用して従来と同様に担持させるこ
とができる。
【0027】
【実施例】以下、実施例及び比較例により本発明を具体
的に説明する。 (実施例1)図1に本発明の一実施例の排ガス浄化用触
媒の端面の拡大断面図を示す。この排ガス浄化用触媒
は、モノリス担体1と、モノリス担体1のセル壁表面に
形成された触媒担持層2とから構成され、触媒担持層2
にはPt3とBa4とが担持されている。以下、この排
ガス浄化用触媒の製造方法を説明して、構成の詳細な説
明に代える。
【0028】先ずコーディエライト製のハニカム形状の
モノリス担体1を用意した。セルの断面形状は正六角形
であり、全体の断面積は83cm2 、セル密度は400
セル/inch2 、容積は1.3リットルである。次に、γ
−アルミナ粉末100重量部と、アルミナを20重量%
含むアルミナゾル3重量部と、水200重量部とからな
るスラリーを用意し、上記モノリス担体1をこのスラリ
ーに浸漬後引き上げて余分なスラリーを吹き払い、12
0℃で6時間乾燥後、500℃で3時間焼成して触媒担
持層2を形成した。触媒担持層2のコート量は、モノリ
ス担体1リットル当たり190gである。
【0029】次に、触媒担持層2をもつモノリス担体1
を所定濃度の白金テトラアンミンヒドロキシド水溶液に
2時間浸漬し、引き上げて余分な水滴を吹き払った後、
250℃で1時間乾燥して触媒担持層1にPt3を担持
した。Pt3の担持量はモノリス担体1リットル当たり
1.5gである。さらに、Pt3が担持された触媒担持
層2をもつモノリス担体1を所定濃度の酢酸バリウム水
溶液に1時間浸漬し、引き上げて余分な水滴を吹き払っ
た後、250℃で1時間乾燥して触媒担持層2にBa4
を担持した。Ba4の担持量はモノリス担体1リットル
当たり0.2モルである。
【0030】得られた実施例1の触媒について、触媒担
持層2の存在深さ別のコート体積分布を顕微鏡写真の画
像処理により測定した。結果を図2に、それを浅い方か
ら積算したものを図3に示す。図2及び図3からわかる
ように、触媒担持層2は表面から深さ100μm以内に
存在する部分が全体の88%を占めている。 (実施例2)モノリス担体のセルの断面形状を正方形と
し、セル密度を900セル/inch2としたこと以外は実
施例1と同様にして、実施例2の触媒を調製した。そし
て同様にして触媒担持層の存在する深さの分布を測定し
た。結果を図2に、それを積算したものを図3に示す。
図2及び図3からわかるように、触媒担持層は表面から
深さ100μm以内に存在する部分が全体の85%を占
めている。
【0031】(実施例3)モノリス担体のセルの断面形
状を六角形とし、セル密度を300セル/inch2とした
こと以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒を調
製した。この触媒では、触媒担持層は表面から深さ10
0μm以内に存在する部分が全体の80%を占めてい
た。
【0032】(比較例1)図9に示すように、モノリス
担体1’のセルの断面形状を正方形とし、セル密度を4
00セル/inch2 としたこと以外は実施例1と同様にし
て、比較例1の触媒を調製した。そして同様にして触媒
担持層2’の厚さ分布を測定した。結果を図2に、それ
を積算したものを図3に示す。図2及び図3からわかる
ように、触媒担持層2’は表面から深さ100μm以内
に存在する部分が全体の65%と実施例に比べて少な
い。
【0033】(比較例2)モノリス担体のセルの断面形
状を四角形とし、セル密度を600セル/inch2とした
こと以外は実施例1と同様にして、実施例3の触媒を調
製した。この触媒でも、触媒担持層は表面から深さ10
0μm以内に存在する部分が全体の75%と実施例に比
べて少ない。
【0034】(試験・評価)次に、それぞれの触媒を評
価装置に配置し、表1に示すリーン側のモデル排ガスと
リッチ側のモデル排ガスを2分毎に交互に繰り返して流
速2L/minで流すことにより初期NOx 浄化率を測
定した。入りガス温度は350℃である。そして比較例
1の触媒を基準として各触媒について初期NOx 浄化率
の比を算出し、結果を図4に示す。なお、NOx 浄化率
は次式で定義される。
【0035】NOx 浄化率(%)=100×(1−4分
間の出口ガス中のNOx 量/4分間の入りガス中のNO
x 量)
【0036】
【表1】 図4より、触媒担持層の表面から深さ100μm以内に
存在する部分が80%以上を占める実施例1〜3の触媒
によれば、比較例1に比べて高いNOx 浄化率を示して
いることが明らかである。
【0037】続いて、それぞれの触媒を耐久試験装置に
配置し、表2に示すリーン側のモデル排ガスとリッチ側
のモデル排ガスを、入りガス温度650℃でリーン…リ
ッチを55秒…5秒で切り替えながら5時間流す耐久試
験を行った。
【0038】
【表2】 そして初期NOx 浄化率と同様にしてそれぞれの触媒の
NOx 浄化率を測定し、耐久後のNOx 浄化率を得た。
そして比較例1の触媒を基準として各触媒について耐久
後NOx 浄化率の比を算出し、結果を図4に示す。
【0039】図4より、触媒担持層の表面から深さ10
0μm以内に存在する部分が80%以上を占める実施例
1〜3の触媒によれば、耐久試験後にも比較例1に比べ
て高いNOx 浄化率を示していることが明らかである。
また触媒担持層の表面から深さ100μm以内に存在す
る部分が占める割合が増加するにつれてNOx 浄化能が
向上し、その割合が80%以上で特に向上している。そ
して実施例1の触媒では、比較例1に比べて耐久後で
1.8倍の性能を示している。
【0040】さらに、それぞれの触媒について、初期N
x 浄化率に対する耐久後NOx 浄化率の比を算出し、
結果を図5に示す。また耐久試験後のそれぞれの触媒に
ついて、触媒担持層中の元素分析を行い、Baに対する
Sの比率を算出した結果を図6に示す。図5より、触媒
担持層の表面から深さ100μm以内に存在する部分が
占める割合が増加するにつれて、耐久後のNOx 浄化能
が向上していることがわかる。また図6より、触媒担持
層の表面から深さ100μm以内に存在する部分が占め
る割合が増加するにつれて、耐久後のS量が少なくなっ
て硫黄被毒が低下していることもわかる。つまり耐久後
のNOx 浄化能の向上は、Baの硫黄被毒が抑制されて
いることに起因していることが明らかである。そして比
較例1ではNOx吸蔵材であるBaの8割以上が硫黄被
毒されているのに対し、実施例1では6割程度に軽減さ
れ、これは触媒担持層の表面から深さ100μm以内に
存在する部分が占める割合を80%以上としたことによ
る効果であることが明らかである。
【0041】(実施例4)本実施例では、比較例1で用
いたハニカム担体基材1’を用い、図7に示すように担
体基材の四隅に断面略三角形状の充填材5を充填した。
この充填材5は、シリカ系無機接着剤をモノリス担体1
リットル当たり60g塗布し焼成することで充填した。
これによりセルの断面は略八角形となった。
【0042】その後実施例1と同様にして触媒担持層
2’’を形成し、同様にPtとBaを担持した。この触
媒では、触媒担持層は表面から深さ100μm以内に存
在する部分が全体の85%を占め、初期及び耐久後とも
実施例1と同様のNOx 浄化能を示した。 (実施例5)本実施例では、図8に示すように、断面形
状が正方形でかつ四隅のコーナー部分60が断面円弧状
に形成されたハニカム担体基材6を用いている。したが
ってセルの断面形状は略八角形となり、実施例4と同様
の形状であるため、表3に示すように、触媒担持層7は
表面から深さ100μm以内に存在する部分が全体の8
0%以上を占めるようになる。
【0043】なお本実施例では、セル数及びコーナーR
(コーナ部分60の半径)を種々変化させ、それぞれの
触媒の触媒担持層7の厚さ分布を測定した。そして触媒
担持層7の体積全体に対する、表面から深さ100μm
以内に存在する部分の体積の割合を算出し、結果を表3
に示す。表3より、本実施例の触媒では、触媒担持層7
においてその表面から深さ100μm以内に存在する部
分が全体の80%以上を占めていることが明らかであ
り、初期及び耐久後とも実施例1〜4と同等のNOx
化能を示すことも確認されている。
【0044】
【表3】
【0045】
【発明の効果】すなわち本発明の排ガス浄化用触媒によ
れば、初期のNOx 浄化能に優れ、かつ硫黄被毒が抑制
されるためNOx 浄化能の耐久性にも優れている。した
がってリーンバーンエンジンのさらなる低燃費化や大排
気量化に対応することが可能となる。また従来と同等の
浄化性能とするのであれば、触媒貴金属及びNOx 吸蔵
材の担持量を低減することができ、コストの低減を図る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の排ガス浄化用触媒の要部拡
大断面図である。
【図2】触媒担持層の表面からの深さ別の体積分布を示
すグラフである。
【図3】触媒担持層の深さ別の体積分布を示し、図2の
積算値のグラフである。
【図4】触媒担持層の表面からの深さ100μm以内に
存在する部分の割合と比較例1に対するNOx 浄化率の
比との関係を示すグラフである。
【図5】触媒担持層の表面からの深さ100μm以内に
存在する部分の割合と初期に対する耐久後のNOx 浄化
率の比との関係を示すグラフである。
【図6】触媒担持層の厚さが100μm以内の部分の割
合と耐久後の触媒担持層中のBaに対するSの比との関
係を示すグラフである。
【図7】本発明の実施例4の排ガス浄化用触媒の要部拡
大断面図である。
【図8】本発明の実施例5の排ガス浄化用触媒の要部拡
大断面図である。
【図9】比較例1の排ガス浄化用触媒の要部拡大断面図
である。
【符号の説明】
1:モノリス担体基材 2:触媒担持層 3:P
t 4:Ba
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B01J 33/00 B01D 53/36 102A 102H

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハニカム形状の担体基材と、該担体基材
    のセル壁表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層
    に担持された触媒貴金属及びNOx 吸蔵材と、からなる
    排ガス浄化用触媒において、 前記触媒担持層は、その表面から深さ100μm以内に
    存在する部分が該触媒担持層の体積全体の80%以上を
    占めることを特徴とする排ガス浄化用触媒。
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