Механизм каталитического окисления нанодиоксида титана 

Диоксид титана относится к n-типу полупроводниковых материалов, ширина запрещенной зоны которого составляет 3,3 эВ (титанорит). При облучении светом с длиной волны не более 387,5 нм (ультрафиолетовым излучением) электроны валентной зоны получают энергию фотонов и переходят в зону проводимости, образуя фотоэлектроны (e-); одновременно в валентной зоне образуются соответствующие фотодыры (h+). Фотоэлектроны e- на поверхности диоксида титана легко захватываются окисляющими веществами, такими как растворенный кислород в воде, тогда как дырки h+ могут окислять органические вещества, адсорбированные на поверхности диоксида титана, или окислять молекулы OH- и H₂O, адсорбированные на поверхности диоксида титана, до · OH-радикалы. Окислительная способность ·OH-радикалов является самой сильной среди всех окислителей, присутствующих в водной среде; они способны окислять подавляющую часть органических веществ и неорганических загрязнителей в воде, преобразуя их в безвредные вещества, такие как неорганические низкомолекулярные соединения, CO₂ и H₂O.

Нанодиоксид титана имеет в основном две кристаллические формы — рутиловую и анатальную. Обе кристаллические формы состоят из соединенных между собой октаэдров TiO₆, а их различие заключается главным образом в степени деформации октаэдров и способе их соединения. В анатальной форме расстояние между Ti-Ti-связями больше, а расстояние между Ti-O-связями меньше, чем в рутиловой. Эти структурные различия обусловливают различия в структуре электронных зон обеих кристаллических форм: ширина запрещенной зоны у рутилового диоксида титана составляет 3,3 эВ, что превышает значение для анитилового (3,1 эВ). Кроме того, более отрицательная зона проводимости рутилового диоксида титана обладает более высокой способностью к адсорбции O₂, имеет большую удельную поверхность, а фотогенерированные электроны и дырки легко разделяются; все эти факторы обусловливают значительно более высокую фотокаталитическую активность рутилового диоксида титана по сравнению с рутиловым.