Para explicar lo que es fotocatálisis, es necesario hablar primero de la fotoquímica, debido a que las reacciones químicas que se desarrollan son promovidas principalmente por luz (de determinada longitud de onda).

   La fotoquímica estudia los cambios fisicoquímicos provocados por la interacción de radiación electromagnética en forma de fotones con las moléculas.

   Para que se realice una reacción fotoquímica, se debe absorber energía, en la sustancia, de una determinada longitud de onda. Si la sustancia no absorbe energía, no experimentará reacción fotoquímica alguna.

   Las fotorreacciones se realizan debido a que la absorción de luz lleva a la molécula a un estado excitado que contiene más energía que el estado fundamental. Al adquirir una mayor energía, las moléculas son más reactivas. Esto produce una vía rápida y directa para que la reacción química se lleve a cabo.

   La ventaja de las reacciones fotoquímicas sobre las reacciones térmicas, que requieren calor para su activación, es que al utilizar la selectividad de las diferentes frecuencias de la luz, se pueden producir reacciones exclusivas y totalmente diferentes en una sustancia química. Cambiando la frecuencia de la radiación se lleva a la molécula a diferentes estados excitados, es así como pueden realizarse reacciones fotoquímicas totalmente diferentes, dependiendo del número y tipos de estados excitados disponibles en la molécula.

   Aún cuando la mayoría de las sustancias absorben luz, no todas reaccionan fotoquímicamente, ya que pueden desactivarse rápidamente, perdiendo su energía antes de que se produzca la reacción, así que la vida media del estado excitado debe ser suficientemente larga como para producir la reacción.

Existen dos procesos Fotocatalíticos: Heterogéneo y Homogéneo.
Cada uno de estos procesos tiene sus propias definiciones y complejidades.

Fotocatalisis Heterogénea:
Se basa en la absorción direacta o indirecta de energía radiante (visible o UV) por un sólido (el fotocatalizador, que normalmente es un semiconductor de banda ancha). En la región interfacial entre sólido excitado y la solución tienen lugar las reacciones de destrucción o de remoción de los contaminantes, sin que el catalizador sufra cambios químicos. La excitación del semiconductor puede tener lugar de dos formas:
 

Fotocatálisis Homogénea:

   El término fotocatálisis se refiere a una reacción catalítica que involucra la absorción de luz por un catalizador, el cual generalmente es un óxido metálico y semiconductor, o por el sustrato mismo.

Esquema de una reacción fotocatalítica.

Fotocatalisis puede definirse como “aceleración de una fotorreacción por la presencia de un catalizador”. El catalizador se activa por la absorción de luz, que acelera el proceso llevando al catalizador a un estado excitado de mayor energía. En la superficie del catalizador, si es semiconductor, aparecen pares electrón / hueco. Es así como los electrones excitados son transferidos a las especies reducibles, y al mismo tiempo el catalizador acepta electrones de las especies oxidables, los cuales ocuparan los huecos generados por los electrones excitados. De esta manera el flujo neto de electrones es nulo y el catalizador permanece inalterado. El proceso se describe de la siguiente manera:

                                                 Inicio de la reacción fotocatalítica:
           C  ---(hv)-->  C*
     C* + R  ----------> R* + C*
             R*  ----------> P
                                                         Proceso de Oxido - Reducción:
           C  ---(hv)-->  C(e^- + h⁺)
h⁺ + Red₂ ----------> Ox₂
   e^- + Ox₁ ----------> Red₁

No es fácil definir el proceso fotocatalítico ideal, aún para el más experimentado de los investigadores de este campo (Serpone et al, 1989). En este sentido Bahnemann et al. (1991) han propuesto, no sin una fuerte razón, que una particula de semiconductor es un fotocatalizador ideal para una reacción específica si:
a) El producto formado es altamente específico.
b) Si el catalizado permanece inalterado durante el proceso.
c) Si la formación de los pares electrón/hueco es requerida (generada por la absorción de fotones con energía mayor que la necesaria para mover a un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción.
d) Si el fotón de energía no es guardado en los productos finales, siendo una reacción exotérmica y solo retardada cineticamente.

La fotocatálisis con semiconductores irradiados provee un método el cual permite una oxidación y reducción efectivas de materia orgánica y compuestos inorgánicos.