Hoạt tính quang xúc tác của TiO2đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với quá trình làm sạch nước và không khí bị nhiễm bẩn bởi các chất gây ô nhiễm khác nhau. Người ta đã xác định được một cách rõ ràng rằng, gốc hyđroxyl (•OH) đóng vai trò là tác nhân phản ứng trong quá trình oxi hóa quang xúc tác nhiều hợp chất hữu cơ trong các hệ lỏng-rắn cũng như hệ pha khí [109].
Các gốc •OH được tạo thành là kết quả của quá trình phân tách các phân tử H2O bị hấp phụ hóa học cũng như các phân tử H2O bị hấp phụ vật lí trên các nhóm hyđroxyl bề mặt qua các liên kết hyđro tại các tâm Ti4+. Sự chuyển electron chỉ xảy ra thông qua những gốc hyđroxyl ở bề mặt hoặc để cân bằng với các lỗ trống bị bắt. Trong hệ khí-rắn, các phân tử nước ở pha khí không phải là loại chủ yếu tiếp xúc với chất xúc tác, tuy nhiên sự oxi hóa trực tiếp có thể xảy ra thông qua lỗ trống vùng hóa trị và bản thân các phân tử chất hữu cơ bị hấp phụ sẽ trực tiếp đóng vai trò là các phần tử bắt các lỗ trống quang sinh [9, 124]. Vai trò của các nhóm hyđroxyl được chứng minh là các tâm bắt đối với các lỗ trống quang sinh vùng hóa trị, do đó làm kìm hãm sự tái hợp của các electron - lỗ trống. Phản ứng của lỗ trống trong quá trình xúc tác (dị thể) có thể được biểu diễn theo các phương trình sau [50]:
TiO2 + hν TiO2(h+VB + e-CB) (1.1) TiO2(h+VB) + H2O(hấp phụ) TiO2 + •OH(hấp phụ) + H+ (1.2)
TiO2(h+VB) + OH-(bề mặt) TiO2 + •OH(hấp phụ) (1.3) TiO2(h+VB) + D(hấp phụ) TiO2 + D+(hấp phụ) (1.4) OH- + D+(hấp phụ) D(oxit) +H2O (1.5) Ở đây, D(hấp phụ) là một loại chất cho electron, thường là các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt xúc tác và bị oxi hóa thành D+(hấp phụ) khi phản ứng với lỗ trống trong TiO2. Các ion supeoxit (O2•-) cũng được tạo thành khi có mặt của oxi (O2), nó phản ứng với các proton và nước hấp phụ từ bề mặt hiđrat tạo thành các gốc hyđropeoxit (HO2•), các gốc hyđropeoxit này cũng là một nguồn để tạo ra các gốc
• OH [13, 48]. Ti4+ + e- Ti3+ (1.6) Ti3+(bề mặt) + O2(hấp phụ) Ti4+ + O2•-(hấp phụ) (1.7) Hoặc: O2(hấp phụ) + e- O2•-(hấp phụ) (1.8) O2•-(hấp phụ) + H+ HO2• (1.9) •OH + O2•-(hấp phụ) HO2• + O-(hấp phụ) (1.10) 2HO2• O2 + H2O2(hấp phụ) (1.11) Sopyan [127] đã xác nhận được sự tạo thành H2O2. Theo sau H2O2 là sự tạo thành gốc •OH.
H2O2(hấp phụ) + O2•-(hấp phụ) OH- + •OH + O2 (1.12) Ti3+(bề mặt) + H2O2(hấp phụ) Ti4+ + •OH + OH- (1.13) Hoặc thông qua sự quang phân trực tiếp:
H2O2 + hν 2•OH (1.14) Những gốc •OH này là phần tử thiếu electron, vì vậy để có thể nhận các electron, chúng sẽ di chuyển và tiến hành oxi hóa phân hủy các phân tử chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt của chất xúc tác [71]. Sự phân hủy các phân tử chất hữu cơ xảy ra theo nhiều giai đoạn thông qua cơ chế phản ứng gốc, đây cũng chính là đặc tính của quá trình oxi hóa nâng cao.