三种常见光催化反应器的结构示意图
根据半导体的电子结构，当半导体（光催化剂）吸收一个能量大于其带隙能（Eg）的光子时，电子（e-）会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴（h+）。价带空穴具有强氧化性，而导带电子具有强还原性，它们可以直接与反应物作用，还可以与吸附在光催化剂上的其他电子给体和受体反应。纳米光催化是利用TiO2作为催化剂的光催化过程，反应条件温和，光解迅速，产物为CO2和H2O或其他的离子如 NO3-、PO43-、Cl-等，而且适用范围广，包括烃、醇、醛、酮、氨等有机物，都能通过TiO2光催化清除。其机理主要是光催化剂二氧化钛吸收光子，与表面的水反应产生羟基自由基（•OH）和活性氧物质（•O，H2O2），其中羟基自由基（•OH）是光催化反应的一种主要的活性物质，对光催化氧化起决定作用。羟基自由基具有120kJ/mol的反应能，高于有机物中的各类化学键能，如：C-C（83kJ/mol），C-H（99 kJ/mol），C-N（73kJ/mol），C-O （84kJ/mol），H-O （111kJ/mol），N-H（93 kJ/mol），因而能迅速有效地分解挥发性有机物和构成细菌的有机物，再加上其它活性氧物质（•O，H2O2）的协同作用，其杀菌效果更为迅速。
TiO2的带隙能Eg=3.2eV，只有波长小于380nm的紫外光才能激发TiO2产生导带电子和价带空穴，导致VOCs的氧化分解。光催化剂 TiO2反应效率很高，但颗粒微小而极易流失，因此将 TiO2 固定在活性炭载体上解决其分离回收问题。
制药厂净化废气，光催化反应器