在實際生活中，建築材料如瓷磚或窗戶玻璃等的清潔是很麻煩的，因為會消耗大量的能源及清潔劑，所以成本甚高。根據研究，若要使材料可自潔表面，主要的方法是使材料表面具有「超疏水性」或「超親水性」。
暴露在空氣中的固體的潤濕性與界面間的張力有關。水卅空氣、水卅固體及固體卅空氣兩兩之間的界面張力決定了水滴在固體表面上的接觸角。接觸角零度表示完全潤濕，而 180 度表示完全不潤濕。水在疏水性的表面上接觸角大於 100 度具低潤濕性。一般而言，接觸角越大，附著性越低，換句話說，接觸角的減少會使附著性增加，趨向親水性表面。
植物表面的斥水現象早已為世人所知，而其斥水性表面也顯現出自潔的性質。1997 年，巴樂特（W. Barthlott）等人說明了蓮花葉面的結構、潤濕性及其自潔特性的關係，並稱它是「蓮花效應」。他們還指出蓮花葉片表面具有細微粗糙結構，且接觸角高於 130 度。這意謂著，當水接觸到蓮花葉面時，會立刻收縮成水珠，而污染物粒子也會附著在水珠表面，當水珠滾動時，就會被一起帶走。如果能把這些植物表面的細微結構製作在實際的物品上，或許就可得到超疏水性的表面。
另一方面，自從發明肥皂後，我們就已知道清潔程序與低接觸角有關。一般來說，清潔劑會降低水的表面張力，使得接觸角減小。最近人們發現一個不用清潔劑也能造成低接觸角的例子，那就是在材料表面製備一層光催化活性的薄膜。
在過去數年中，許多人對二氧化鈦深感興趣。因為二氧化鈦若暴露在紫外光下，可得到小於 1 度的接觸角，可見這類物質具有獨特的「親水性」，而且停止照光後，二氧化鈦表面的超親水現象仍可持續兩天。此外，二氧化鈦照射紫外光後也能有效氧化及分解細菌、有機和無機物質。
非均相光催化
在缺乏催化物質時，大部分碳水化合物的氧化進行的非常緩慢，這現象可從化學反應動力學來解釋。由於光觸媒會降低反應的活化能，所以在光驅動下，會產生強氧化性及強還原性的物質。一個非均相光催化系統，是由半導體粒子，即光觸媒，與液相或氣相反應物質接觸所構成。觸媒照光會產生激發態，因而啟動一連串反應，如氧化還原及分子轉換。
在光催化作用的反應機制中，光觸媒的電子組態是具有填滿的共價帶和空的傳導帶。傳導帶最低能階與共價帶最高能階的能差就是所謂的帶距能，這剛好是照光使物質產生導電性所需的最低能量。
當光子的能量超過帶距能時，電子會從共價帶躍遷到傳導帶，而留下一個電洞在共價帶裡。對導電的物質而言，所產生的電荷載體會立即再結合。但對半導體而言，光激發所產生的電子－電洞對會擴散到觸媒粒子的表面，而參與化學反應，並和被吸附的施體（donor）或受體（acceptor）分子作用。電洞會氧化施體分子，而位於傳導帶的電子會還原受體分子。
半導體性的金屬氧化物有一特點，就是電洞的強氧化力。它們可以和水反應進行單電子氧化步驟，產生高度反應性的氫氧離子基。電洞和氫氧離子基都是很強的氧化劑，可氧化大部分的有機污染物。
一般而言，空氣中的氧氣分子也會像受體分子一樣形成超氧離子，超氧離子也是具有高度反應性的物質，可以氧化有機物質。
二氧化鈦光觸媒
二氧化鈦是日常生活中常用的物質，廣泛應用在白色顏料、化妝品及食物中。一般來說，二氧化鈦是一種半導體材料，可藉由照光啟動它的化學作用。近年來，二氧化鈦的光催化性質被廣泛研究，尤其是塗料方面的應用。由於二氧化鈦在光照下可分解有機物質，使得塗料中的有機成分被分解掉，導致了著名的油漆白化現象。
二氧化鈦有三種晶相：銳鈦礦、尖晶石及板鈦礦。與尖晶石及板鈦礦相較，銳鈦礦有較好的光催化性，因此，工業用的二氧化鈦光觸媒幾乎不使用尖晶石相或板鈦礦相。以下敘述所提到的二氧化鈦，都是指銳鈦礦相。
1972 年，藤島（Fujishima）和本田（Honda）發現在二氧化鈦電極上，水會被光催化而分解，這個發現可說是非均相光催化領域中新時代的開始。雖然二氧化鈦只能吸收大約 5％ 的太陽光，但仍是在化學轉換及太陽能儲存上最實用的半導體。最近幾年，二氧化鈦光催化技術已經應用在一些重要的環保問題上，例如水和空氣中有毒物質的去除。
二氧化鈦是帶距能 3.2 電子伏特的半導體，如果它被大於 3.2 電子伏特，相當於波長小於 388 奈米的光子照射，電子就會從共價帶躍遷到傳導帶。因此，光照射最基本的程序就是產生電子－電洞對。
半導體是否有因為光照而使電子轉移到被吸附粒子上的能力，是由半導體的能帶位置及被吸附物質的氧化還原電位所決定。熱力學指出，受體物質相關的電位階必須在半導體的傳導帶以下，而為了能施予電子到電洞中，施體的電位階必須在半導體的價帶位置以上。
和其他污染物的氧化程序相比，使用二氧化鈦進行非均相光催化氧化，必須滿足下列條件才具有競爭力：使用低成本材料做為光觸媒；在室溫及 1 大氣壓下，也能非常快速地反應；被轉化成水及二氧化碳的有機污染物種類範圍要廣泛；不必使用化學反應物，且無副反應產生。
二氧化鈦光催化的應用
過去 10 年中，已經吸引了許多產業應用光催化技術於水及空氣純化的研發上。與傳統採用的氧化程序相比，光催化技術有不少的優點，如設備建置容易、室溫操作、毋需後續處理、能源消耗較少、成本較低等。
針對廢水中有毒物質去除的議題，已經設計出很多光反應器。在以前，是使極微小的二氧化鈦顆粒分散在液體中。然而，這些系統很難控制，因為以紫外光照射完成分解程序後，二氧化鈦顆粒仍懸浮在水中，若使用過濾或其他方法移除，效率都很差，也耗費成本。另外，有些反應器是設計成把二氧化鈦固定在玻璃、陶瓷或金屬表面上。目前更進一步改善成薄膜固定床反應器，反應時工業廢水是通過表層鍍有二氧化鈦的材料，如玻璃、聚苯乙烯、甲基丙烯酸酯等。
光催化氧化也可去除及分解室內空氣中的污染物，所用的反應器會抓住有機化合物並進行化學氧化，使它們轉化成二氧化碳和水。這些反應器可在室溫下操作，且不必考慮壓力的問題，因此，可進一步與加熱、通風及空調系統整合。
鍍有二氧化鈦的瓷磚能有效分解有機和無機物質，同時也能抗菌。這些瓷磚應用在醫院及看護設施上，可以減少傳染的速率和對免疫系統已經很弱的病患的威脅；應用在公共設備和學校中，可以改善衛生條件；應用在廚房、浴室和地板上，可以提升家庭衛生並減少家事的分量，而這也是一般人最感興趣的。此外，這些瓷磚顯現出超親水性的行為，水會在瓷磚表面形成均勻的一大片，油脂、塵垢和其他污染物質會很容易地被水流所清除。超親水性再結合光催化氧化特性，使鍍有二氧化鈦的瓷磚能做到表面自我潔淨。
未來的研究及應用
二氧化鈦光催化有很多戶外的應用，已有二氧化鈦應用於建築材料如瓷磚、混凝土、砂漿及灰泥中的資料。例如，大部分建築物外牆會被含有油質化合物的汽車廢氣所損壞，若能在原建築材料表面鍍上具超親水性的光觸媒，外牆的塵垢可以很容易地被雨水清洗掉，而長時間保持建築物外觀的清潔。
這類應用須考慮二氧化鈦的兩個特點：第一，超親水性的表面對水比對油具有更高的吸引力；第二，紫外光照射二氧化鈦所形成的電子－電洞對，會與環境中的氧及水反應，而在鍍材表面產生具強氧化清潔能力的媒介，這些媒介會把大的有機分子分解成較小的分子。
總之，結合光催化和超親水性兩項特點，二氧化鈦可讓油脂和塵垢很容易地被水清除。
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