Cơ chế xúc tác quang chủ yếu xảy ra do các yếu tố sau như (i) sự hấp thụ ánh sáng của mẫu, (ii) hình thành chất mang điện tích (electron và lỗ trống), (iii) chuyển chất mang điện tích và (iv) sử dụng chất mang điện tích để phản ứng với thuốc nhuộm.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào chất xúc tác quang, các electron nhảy từ dải hóa trị của ZrO2 và ZnO sang dải dẫn để lại một số lỗ trống ở dải hóa trị. Trong khi đó, các lỗ trống sẽ di chuyển theo hướng ngược lại từ dải hóa trị của ZnO sang dải hóa trị của ZrO2. Cơ chế quang xúc tác có thể được giải thích dựa trên các phản ứng sau:
ZrO2/ZnO/x%Ce + hν → ZrO2 (h+) + ZnO (e-) ZnO (e-) + O2• → O2•-
h+ + OH- → 2OH•-
OH• + Dye ( chất màu ) → Degradation ( nhạt màu ) O2• + Dye ( chất màu ) → Degradation ( nhạt màu )
Các electron được tạo ra phản ứng với oxi trong khí quyển và tạo ra gốc superoxide (O2•-). Các lỗ trống trong dải hóa trị sẽ phản ứng với các phân tử nước để tạo ra gốc hydroxyl (OH•). Sự hình thành các gốc này sẽ rất hữu ích để tránh tái tổ hợp cặp electron - lỗ trống một cách hiệu quả và tăng cường hoạt động xúc tác quang.
Phân tích các kết quả nghiên cứu ở mục 3.6 cho thấy, khi pha tạp Ce vào ZrO2/ZnO đã làm tăng hiệu suất quang xúc tác phân hủy MB, vì các ion Ce4+
trong mạng nền ZrO2 và ZnO làm mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng của vật liệu sang vùng khả kiến. Hiệu ứng này đã được đã được giải thích do sự chèn các mức năng lượng 4f của Ce4+ vào giữa vùng cấm của ZrO2 hoặc ZnO tạo thành các mức năng lượng nằm trong vùng cấm, làm giảm độ rộng vùng cấm và cho hoạt động quang xúc tác xảy ra dưới ánh sáng khả kiến.
Ngoài ra cơ chế khác là sự chuyển điện tích kim loại sang kim loại (MMCT-Metal to metal charge transfer) được gọi là sự chuyển đổi electron từ một loại kim loại sang một loại kim loại chuyển tiếp có trạng thái oxi hóa khác nhau, trong trường hợp này hiệu ứng MMCT là: ZrIV-O-CeIV thành ZrIII-O-CeIII. Khi cầu oxi được hình thành giữa hai kim loại khác nhau trong một hỗn hợp sẽ giúp các electron và lỗ trống di chuyển hiệu quả và tránh sự tái tổ hợp, nâng cao hiệu quả quang xúc tác của vật liệu.