Quang xúc tác oxi hóa bởi TiO2 đã được áp dụng mạnh mẽ ở một số nước như Nhật, Mỹ, Hà Lan và cả một số nước như Hàn Quốc, Đài Loan để xử lý các chất ô nhiễm trong không khí. Năm 1987, ở Mỹ các nhà khoa học đã nghiên cứu công nghệ sol-gel chế tạo TiO2 dạng màng và dạng sợi [81]. Năm 1993, các nhà khoa học Hà Lan đã chế tạo loại gạch men có lớp TiO2 trên bề mặt để làm sạch môi trường không khí [40]. Chúng được đánh giá là rất hiệu quả để phân hủy chất bẩn và diệt khuẩn. Năm 2006, Viện Công nghệ môi trường, Đại học Đài Loan, Trung Quốc dùng bột Degussa P25 TiO2 trong các bộ lọc khí để loại bỏ toluen và formandehit [140]. TiO2 rất hiệu quả trong việc phân hủy clorofooc và ure, thuốc trừ sâu gốc lân
Tổng hợp hữu cơ Quang xúc tác Quang điện Hiệu ứng siêu ưa nước nuonươcnunu nước Phản ứng đặc biệt Quang ngưng kết nitrogen Giảm chất gây ô nhiễm Khử chất độc vô cơ và loại trừ ion Tẩy uế: Phân
hủy các hợp chất vi sinh Oxi hóa một phần hoặc toàn phần hợp chất hữu cơ Quang tách nước để tạo hydro Quang oxi hóa
các hợp chất hữu cơ thành CO2 Ánh sáng +TiO2 hoạt tính
hữu cơ dimetylphotphat [144]. Cyanua có thể bị phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 được chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 390 nm [128]. Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 420nm tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và H2O [39]. Ở Nhật Bản các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo và ứng dụng TiO2 ở dạng màng , sơn hoặc bột với hiệu quả rất cao trong xử lý ô nhiễm không khí. Với nguồn sáng 40W, khoảng cách chiếu sáng 150cm, TiO2 có thể khử H2S, amoni, trimetylamin từ 30ppm xuống còn 1,9-2,0 ppm sau 2 giờ được chiếu sáng. Các khí có hại phát sinh từ vật liệu trang trí và nội thất chứa methyl, H2S, amoniac trong các nhà máy... đều có thể bị phân hủy và oxy hóa bằng phản ứng quang xúc tác với TiO2. Nồng độ ban đầu từ 10 ÷ 12ppm giảm đến 2ppm sau 120 phút và đến 0ppm sau 300 ÷ 400 phút [116]. Ngoài ra, trong lĩnh vực xử lý môi trường các nhà khoa học tại Nhật Bản đã chế tạo được hỗn hợp chứa TiO2 và tẩm thành công lên các loại vật liệu khác nhau để: diệt khuẩn, diệt nấm mốc, loại bỏ các khí độc NOx, SOx. Một số hãng sản xuất vật liệu phủ TiO2 nổi tiếng tại Nhật Bản như: Ishihara Sangyo, Kaisha, Kogyo...
Theo thống kê của một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Tokyo: Năm 2001 đã có khoảng 2.000 hãng với doanh số hơn 400 triệu USD. Nano TiO2 đã hiện diện trong các sản phẩm cao cấp của các hãng thương mại hàng đầu thế giới với những tính năng đặc biệt như: kính chống nhòe nước, chống tia cực tím của ô tô Toyota, Honda, thiết bị y tế sơn phủ chống kháng khuẩn bằng nano TiO2. Các chuyên gia của Viện nghiên cứu Công nghệ và Khoa học quốc gia Nhật Bản (AIST) đã có 43 sáng chế sử dụng TiO2 trong các vật liệu ống, sợi gốm sứ chống khuẩn, silicagel quang hóa, màng lọc quang hóa, thủy tinh quang hóa, điều hòa quang hóa... đã loại bỏ trên 99% dioxin trong khí thải ngay từ năm 1983 [20].
Vật liệu nano TiO2 có rất nhiều ứng dụng là các sản phẩm phục vụ đời sống như tạo độ đục, độ trắng, để nhuộm màu cho các sản phẩm nhựa, sơn che phủ và cao su; trong sản xuất giày, mỹ phẩm, kem đánh răng, gốm sứ, mực in... Các ứng dụng của nano TiO2 với ánh sáng tử ngoại (sản phẩm UV-Titan) dùng để ngăn tia mặt trời được sử dụng chế tạo màng chất dẻo (bao gói thực phẩm, nhà kính), lớp phủ cho ô tô, gỗ. Đặc biệt nano TiO2 được sử dụng trong mỹ phẩm bảo vệ da khỏi tia tử ngoại mặt trời. Một trong những ứng dụng sớm nhất và ngày nay vẫn còn được phát triển
mạnh mẽ của TiO2 nano là lọc ánh sáng mặt trời. Ứng dụng này đã được bắt đầu khoảng 15 năm trước với mức tiêu thụ khoảng 1100 tấn/năm. Trong những sản phẩm lọc và chắn tia sáng mặt trời, các hạt TiO2 tạo thành hàng rào vật lý không nhìn thấy và không cho ánh sáng tử ngoại đi qua. Những kem và thuốc bôi da chứa TiO2 nano trở nên trong suốt hơn và hiệu quả hơn so với sản phẩm cũ.
Mới đây, các nhà khoa học Mỹ công bố đã chế tạo được các ống nano TiO2 hấp thụ ánh nắng mặt trời để biến CO2 thành CH4 tạo ra nguồn năng lượng trong tương lai. Ống nano này có thể làm giảm sự phát thải CO2 vào khí quyển và làm giảm phụ thuộc của con người vào năng lượng hóa thạch.
Bên cạnh đó vật liệu phủ nano TiO2 còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: chất màu, chất mang xúc tác, chất phụ gia và trong các dịch vụ y tế, năng lượng, mỹ thuật, thiết bị quang điện, màng lọc và trong lĩnh vực gốm kỹ thuật cao. Một ứng dụng quan trọng khác của nano TiO2 là sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, có tên chính xác là sơn quang xúc tác TiO2. Đây là một dạng tinh thể TiO2 nano dạng huyền phù trong pha lỏng vì vậy sơn đó còn được gọi là sơn sol nano TiO2. Khi phun lên tường, gạch men, kính sơn sẽ tạo một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt của pha nền. Nguyên lý hoạt động của sơn là: dưới tác động của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và hơi nước trong không khí; TiO2 trong sơn có tác dụng như một chất xúc tác để phân hủy bụi, rêu, mốc, khí độc hại và hầu hết các chất vô cơ bám vào mặt vật liệu thành CO2, H2O. TiO2 không tiêu hao trong thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác nên không tham gia vào quá trình phân hủy.
Trên thế giới, người ta biết rằng các hạt TiO2 cỡ nanomet dưới tác động của ánh sáng sẽ phát sinh các tác nhân oxy hóa cực mạnh như H2O2, O2, OH- mạnh gấp hàng trăm lần các chất oxy hóa quen thuộc như clo, ozon. Nhờ đó, nó có thể phân hủy hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám vào bề mặt thành những chất vô hại như CO2 và H2O. Do đó, người ta cũng sử dụng phản ứng xúc tác quang hóa TiO2 với mục đích diệt khuẩn.