纳米半导体材料在光的照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或使化合物（无机物、有机物）降解的过程称之为光催化。1972年，Fujishima和Honda首先报道了用氧化钛单晶体作为光催化剂分解水制备氢气的案例。当时正值能源危机，利用太阳能制备氢气来缓解能源危机有重大的实用意义，立即引起学术界的广泛关注。1977年Bard用氧化钛作光催化剂氧化CN-为OCN-,开创了用光催化剂处理污水的先河。其实早在20世纪五六十年代，就有人研究过ZnO的光催化作用，主要是一些光氧化反应，如：由氧气制备臭氧、氧气和水制备双氧水等。由于量子产率低，用于化学合成上没有实际意义而很少受到人们的注意。进入20世纪90年代后，由于纳米科技的高速发展，为纳米光催化技术的应用提供了极好的机遇。控制纳米粒子的粒径、表面积等技术手段日趋成熟，通过材料实际，提高光量子产率成为可能。在实际应用中，半导体光化学和光催化得到迅速的发展。

　　　　　　　　　　　　　光触媒分解有害物质示意图

    目前广泛研究的半导体光催化剂大多数属于宽禁带的n型半导体化合物，如CdS、SnO2、TiO₂、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO₃、V₂O₅、WO₃和MoSi₂等。这些半导体中TiO₂、CdS和ZnO的催化活性最高，但是CdS、ZnO在光照射时不稳定，因为光极腐蚀而产生Cd²⁺、Zn²⁺，这些离子对生物有一定毒性，对环境有害。所以TiO₂光催化材料是当前最有应用潜力的一种光催化剂。它的优点是：光照后不发生光腐蚀，耐酸碱性好，化学性质稳定，对生物无毒性；能隙较大因而产生光电子和空穴的电势电位高，有很强的氧化性和还原性;TiO₂作为耐久的光催化剂已经被应用在处理各种环境问题上。另有研究表明，TiO₂对与破坏微观的细菌和气味是十分有用的，还可以使癌细胞失去活性，对臭味进行控制，对于氮的固化和对于油的污染治理都是十分有效的。

                                            二氧化钛电子受激跃迁示意图

    半导体具有特殊的电子结构，这种结构由一个满价带和一个空导带来表征。当一个具有hv大小能量的光子或者超过这个半导体带隙Eg的光子射入半导体时，一个电子e^-被从价带VB激发到导带CB,留下一个空穴h⁺在价带中。激发态的导带电子和价带空穴除了重新结合并且消除输入的能量外，电子也可以在材料表面被捕捉。也就是说电子被吸附在半导体表面，或者是吸附在荷电的周围粒子的双电子层之内。如果一个适当的空穴能或表面缺陷态能被用来捕捉电子或空穴，则可以防止电子和空穴的重新结合，后来的还原反应就可以发生。价带的空穴是有力的氧化剂(+1.0~3.5v)，而导带的电子则是很好的还原剂(-0.5~1.5v)。于是在半导体表面产生的氧化还原反应，光能转变成了化学能。大部分有机光致降解 反应不是直接就是间接地充分利用空穴氧化剂的能量。然而。为了防止空穴和电子的重新结合，必须提供一个可还原物质与电子反应。在只有一种物质的块体半导体电极上，不是空穴就是电子由于键弯曲被用来反应，在粒径非常小的纳米半导体粒子中，空穴和电子二者皆悬垂在表面上，故大大提高了反应的效果。[这方面更多资料，请参考光触媒表面反应机理一文]
    光催化剂或者光触媒不一定就是纳米产品，早期的体相光催化剂因为效率不佳一般都是在实验室内。随着纳米技术的发展，纳米光触媒大大提高了光反应的量子效率，从而走入实际应用之中。
    减少半导体光催化剂的颗粒粒径,可以显著提高其光催化效率。近几年来，对于TiO₂、ZnO、CdS、PbS等半导体纳米粒子的光催化性质的研究表明，纳米粒子的光催化活性比相应的体相材料高的多。半导体纳米粒子具有优异的光催化活性的主要原因有：1.当半导体粒子粒径小于某一临界值，量子尺寸效应变得非常显著，导带和价带变成分立的能级，能隙变宽，生成光生电子和空穴能量更高，具有更强的氧化、还原能力；2.粒径减小，光生电子和空穴的复合减少，有效提高光产率，例如，在TiO₂胶体粒子中，电子的俘获在30ps内完成，空穴相对较慢，在250ps内完成，粒子半径减小，光生电子从晶体内扩散到表面时间缩短，电子与空穴分离效果越好，从而提高光催化效率；3.半导体催化剂粒径减小，表面积增大吸附能力增强，可促进光催化反应的进行