TiO₂等半导体材料受到能量大于其禁带的光照射时，发生电子跃迁，在半导体材料表面形成电子/空穴对,半导体粒子表面空穴可以吸附水分子或氢氧根离产生具有强氧化能力的羟基自由基，将吸附于颗粒表面的有机污染物氧化分解为无害物质。其机理如下

      （1）二氧化钛在紫外光的照射下电子空穴对的形成：

   TiO2 + hν( Eband - gap)→ TiO₂+h⁺/e^-

      （2）空穴吸附氢氧根形成羟基自由基：

         h⁺ +OH^-→HO·

      （3）空穴吸附水分子形成羟基自由基：

   h⁺ + H₂O→ HO·+ H⁺

v  氧化有机物

   由于产生大量非常活泼的羟基自由基HO·，其氧化能力(2. 80 V)，仅次于氟(2. 87 V)，它作为氧化物，可无选择地直接与废水中的污染物反应将其降解为二氧化碳、水和无害盐等。

v  氧化氨氮

TiO₂光催化降解过程中形成的活性很强的自由基（OH）和超氧离子（O2^—）等活性氧，具有光催化能力，可以诱发无机氮离子的一系列氧化还原反应，反应如下：

其中主要为 NH₄⁺的氧化和 NO₃^-的还原，整个过程中还会伴随一些中间产物生成。通过控制催化氧化的条件，可以将氨氮分子氧化为N原子，然后结合为氮气逸出，不会产生二次污染。

如果在反应体系中通入氧气或空气鼓泡，使氧分子在催化剂表面吸附后与已经形成电子空穴对中的电子反应，生成超氧自由基，这样可以消除催化剂表面的电子，防止电子和空穴的复合 ,保持空穴的量以促进氧化过程。TiO₂异相光催化可以降解苯酚影响TiO₂光催化降解有机物的降解速率的因素：催化剂种类；催化剂用量：溶液pH值：光强度等因素。