光催化是指在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，继而发生化学反应生成新的物质或变成引发热反应的中间化学产物。光催化剂是指在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。它利用光能转化成化学反应所需的能量，产生催化作用，使周围的氧气及水分子激发成很具氧化力的自由基或负离子。
半导体光催化剂大多是n型半导体材料(当前以TiO2使用很广泛)，具有区别于金属或绝缘物质的特别的能带结构，即在价带和导带之间存在一个禁带。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有公式K=1240/Eg(eV)的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。在光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的电子(e-)就会被激发到导带上，同时在价带上产生空穴(h+)。当存在合适的俘获剂、表面缺陷或者其他因素时，电子和空穴的复合得以抑制，就会在催化剂表面发生氧化—还原反应。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，在半导体光催化反应中，一般与表面吸附的H2O、O2反应生成˙OH和超氧离子O2-，能够把各种有机物直接氧化成CO2、H2O等无机小分子，电子也具有强还原性，可以还原吸附在其表面的物质。激发态的导带电子和价带空穴能重新合并，并产生热能或其他形式散发掉。
