TiO2属于N型半导体材料,具有能带结构,一般由填满电子的低能价带和空白的高能导带构成,价带和导带间存在禁带.TiO2的禁带宽度为3.2eV,当它吸收波长小于或等于387.5nm的光子后,价带上的电子(e-)被激发跃迁至导带,形成带负电的高活性电子ecb-.同时,在价带上产生带正电的空穴(hvb+),在电场作用下,电子与空穴分离并迁移到粒子表面.光生空穴有很强的捕获电子能力,具有强氧化性,可将吸附在TiO2表面的OH－和H2O分子氧化成·OH自由基.其反应机理可用下式表示：
TiO2＋H2O→e-＋h+
H+＋H2O→·OH＋H+
H+＋OH-→·OH
O2＋e-→·O2-
·O2-＋H+→HO2·
2HO2·→O2＋H2O2
H2O2＋O2-→·OH＋OH-＋O2
·OH自由基的氧化能力很强,能将大多数有机污染物及部分无机污染物氧化降解为CO2,H2O等无害物质,且·OH对反应物无选择性,在光催化氧化中起着决定性作用.