Die Photokatalyse ist ein chemisch physikalischer Effekt, der an belichteten Halbleitern auftritt. Die Belichtung versetzt Halbleiter wie Titandioxid (TiO₂) in einen leitenden Zustand, bei dem durch Reaktionen von Hydroxidionen (OH^-) des Wassers reaktive Sauerstoffspezies gebildet werden, die organische Substanzen zu Wasser (H₂O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) oxidieren können. Die Beleuchtung der Photokatalysatoren kann dabei mit künstlichen Lichtquellen oder dem Sonnenlicht erfolgen. Bei der Anwendung von Titandioxid als Photohalbleiter muss das Licht zur Anregung in einem Wellenlängenbereich von 320 bis 400 nm liegen. Durch Dotierung kann dieser Wellenlängenbereich verschoben oder erweitert werden.

Photokatalyse ist eine mehrstufige Reaktion durch Licht an photochemisch aktiven Material:

Im ersten Schritt erfolgt eine Ladungstrennung in Elektron (e^-) und Defektelektron am Titandioxid Halbleiter durch UV-A-Licht, welche der Bandlücke des Halbleiters entspricht.
Im zweiten Schritt „reagieren“ die Defektelektronen mit Wasser aus der Umgebung der Art, dass die im Wasser vorkommenden Hydroxidionen ein Elektron abgeben und sich somit das neutral geladene Hydroxylradikal (●OH) bildet. Dieses Hydroxylradikal ist extrem kurzlebig, verfügt aber über eine enorme Oxidationsstärke. Durch dieses Hydroxylradikal werden organische Schadstoffe zu Wasser und Kohlenstoffdioxid oxidiert.