光触媒光催化氧化是以N型半导体的能带理论为基础，半导体材料具有与金属不同的不连续能带结构，一般由填满电子的低能价带和含有空穴的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度(又称带隙)的光照射时，价带上的电子(eˉ)会被激发跃迁至导带，在价带上产生相应的电子空穴(h+)并在电场的作用下分离迁移到表面。

热力学理论表明，分布在表面的光生空穴因具有很强的吸电子能力，可将吸附在TiO2表面上的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基等。羟基自由基的氧化能力极强，可强效分解各种具有不稳定化学键的有机化合物和部分无机物，将其最终降解为H2O、CO2等无害的小分子物质，并可破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体。

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