Photokatalyse bezeichnet reaktionsbeschleunigende Vorgänge, die durch Lichtanregung eines Katalysators ausgelöst werden, ohne dass dieser stofflich verbraucht wird. Typischerweise sind es Halbleitermaterialien (z.B. TiO₂, ZnO), deren elektronische Struktur die Absorption von Photonen und die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren erlaubt.

Bei Bestrahlung mit Photonen ausreichender Energie werden Valenzelektronen in das Leitungsband angehoben. Die resultierenden Elektronen-Loch-Paare können anschließend Redoxreaktionen an der Oberfläche initiieren: Photogenerierte Elektronen reduzieren Akzeptormoleküle (z.B. O₂), während Löcher Donormoleküle oxidieren (z.B. organische Schadstoffe, Wasser). Entscheidend ist dabei das effiziente Separieren und Transportieren der Ladungsträger zur Oberfläche, bevor Rekombination eintritt.

Wichtige materialspezifische Parameter sind Bandlückenenergie und Bandkantenlage relativ zu den Redoxpotentialen der Zielreaktionen, Defekt- und Dotierungszustand, Kristallphase, Morphologie sowie spezifische Oberfläche. Durch Heterostrukturen (z.B. p–n-Übergänge, Z-Scheme-Systeme), Edelmetall-Nanopartikel oder atomare Dotierungen kann Ladungstrennung und -nutzung deutlich verbessert werden.

Anwendungsfelder umfassen Umweltkatalyse (Abbau organischer Kontaminanten, NOx-Konversion), antimikrobielle Oberflächen sowie die solare Brennstofferzeugung (Wasserspaltung, CO₂-Reduktion). Aktuelle Forschung adressiert sichtlichtaktive Photokatalysatoren, Stabilität unter Betriebsbedingungen, quantenchemische Modellierung von Oberflächenreaktionen sowie skalierbare, kostengünstige Syntheserouten.