虽然二氧化钛是一种有潜质的催化剂材料，但是， 3.2 eV 的禁带宽度使得 TiO2 只能被占太阳光 5%的波长较短的紫外线（ λ﹤387 nm）激发， 同时，光激发产生的电子和空穴极易复合，导致吸收光的量子产率很低，这大大限制了二氧化钛的光催化效率。 为了解决这一问题，科学工作者们进行了大量的试验研究，主要包括与窄禁带半导体耦合、金属/非金属离子掺杂、两种或多种离子共掺杂、染料或者金属化合物表面敏化和贵金属沉积等。
1 掺杂
据掺杂离子的不同，可以分为金属掺杂，非金属掺杂和共掺杂三种。金属掺杂 TiO2 已经被广泛研究 。 根据之前的研究，金属离子掺杂 TiO2 扩大了其光吸收范围、增加了光生自由基的氧化还原电势，并通过阻止光生电子空穴的复合来提高量子效率。 尽管有大量的研究证明金属离子掺杂 TiO2 如何增加可见光的吸收，但是需要提到的是，增加可见光的吸收不是提升掺杂 TiO2 光活性的充足条件 。 实际上，在阳离子的植入过程中会产生大量的缺陷，这些缺陷可以作为复合中心，从而降低光催化活性。这个不良影响可以通过再次退火掺杂 TiO2 来解决。
稀土金属具有不完全占据的 4f 和空的 5d 轨道，可以用作催化剂或者促进催化。大量的研究将稀土金属与 TiO2 结合来提高其光活性。 研究表明， Ce 掺杂 TiO2（锐钛矿相和金红石相混合）可以阻止 TiO2 晶粒长大来降低晶粒大小（ 增加比表面积），从而提高光催化活性。另外， Ce 氧化还原对（ Ce3+/Ce4+）可以作为电子清除剂捕获大量电子，从而提高光催化活性。 也有研究表明， Ce 的掺杂量对光催化活性有着很大的影响。当 Ce 的掺杂量很大的时候，空间电荷区变窄，光的穿透深度超过了空间电荷层。因此， 光生电子空穴对的复合就变的容易，从而降低了光催化活性 。用溶胶凝胶法制备的 Gd3+/TiO2 具有最低的带隙和颗粒尺寸、最高的比表面积和孔体积。
贵金属掺杂TiO2 的高催化活性主要来自 4f 电子的转移，它通过允许电荷在 TiO2 价带/导带和稀土元素的 4f 之间转移来降低带隙能量。 过渡金属掺杂 TiO2 提高光催化活性主要是基于试图创建带隙能量转移和延伸 TiO2 的光响应范围到可见光区。之前有研究表明，过渡金属掺杂可以调整电子结构并使其吸收边带从紫外光移动到可见光区，从而提高 TiO2 的光催化活性。吸收边带移动至可见光区是由电荷在过渡金属和 TiO2 的导带或者价带之间的跃迁导致的。过渡金属在 TiO2 的电子结构中创建了一个新的电子态，可以捕获从 TiO2 价带激发的电子，从而阻止电荷载体的复合 。
2 贵金属沉积
贵金属沉积是 TiO2 光催化剂修饰的另外一种方法。 贵金属包括 Os、 Pd、 Ru、 Rh、 Ag、 Ir、 Pt 和 Au 等，它们具有较高的耐腐蚀性和在潮湿空气中耐氧化。 以往的研究表明贵金属（包括 Pt、 Ag、 Au、 Pd、 Ni、 Rh 和 Cu）沉积可以有效的提高 TiO2 的光催化活性。 因为贵金属的费米能级比 TiO2 的要低，光生电子可以从 TiO2 的导带传递到沉积在 TiO2 表面的金属颗粒上，而价带上的光生空穴仍然在 TiO2 上。这就很大程度上降低了电子-空穴的复合几率，从而有效的提高光催化活性。大量的研究表明，这类复合材料的性质主要取决于金属颗粒的大小、分散和组成，当金属颗粒的尺寸小于 2 nm 时，复合材料显示出优异的催化行为。 当金属颗粒浓度太高时， TiO2 对光的吸收降低，从而使得金属颗粒成为电子-空穴复合中心，降低催化效率。
3 半导体复合
不同半导体复合是最近几年的另外一个研究热点。 当两种半导体材料耦合的时候， 当光照射一种半导体的时候，可以在两者的界面处与另外一个半导体中产生响应。 在光催化系统中，将 TiO2与其他半导体材料耦合可以将吸收边带延伸到可见光区并降低电荷载体的复合。 研究表明，两种半导体材料导带和价带的良好匹配可以保证电荷载体从一个转移到另一个。
复合不同半导体的研究很多，比如 TiO2-CdS, Bi2S3-TiO2, TiO2-WO3, TiO2-SnO2, TiO2-MoO3,和 TiO2-Fe2O。引起最多兴趣的是 CdS 和 TiO2 的耦合。当 TiO2 与 CdS 复合时，可以用比激发 TiO2 更低的能量激发 CdS,所以光生电子可以从 CdS 注入到 TiO2，而空穴留在 CdS 中。电子从 CdS 转移到 TiO2 增加了电荷分离和光催化过程的效率。分离的电子和空穴可以更容易与催化剂表面的吸附物结合。甲基紫精几乎可以在可见光下被 CdS/TiO2 复合光催化剂全部降解 。复合 WO3/TiO2 光催化剂在过去几十年的研究也很多。 WO3 的价带上边缘和导带的的下边缘都比 TiO2 的要低。 WO3 可以被可见光激发，光生空穴可以从 WO3 转移到 TiO2。
4 染料敏化
通过物理或者化学吸附染料来使宽禁带半导体（ 比如 TiO2）光催化剂表面光敏化可以提高光催化剂激发过程的效率和扩大激发波长。通过激发吸附在光催化剂表面的染料可以在半导体颗粒中形成电荷载体。激发态可以向颗粒注入空穴或者电子。当单分子层染料分散在高比表面积的光催化剂上时可以得到高效率的电荷注入。敏化作用可以增加光催化剂的波长响应范围，这对在太阳光下进行光催化反应是很重要的。
用呫吨染料作为敏化剂敏化 TiO2 在可见光下光催化降解 2,4-二氯苯酚。用不同染料敏化的 TiO2 对 2,4-二氯苯酚的光催化降解效率的顺序是： 伊红 ≈ 玫瑰红 > 赤藓红 > 罗丹明 B。 通过在可见光下光催化降解罗丹明 B的实验结果表明， 二萘嵌苯四甲酸二酰亚胺和四磺酸酞菁铜敏化的 TiO2 复合物与单纯的 TiO2 相比具有更高的光催化效率。两种染料敏化的 TiO2 复合物与一种染料敏化的 TiO2 复合物相比， 具有有效电子收集的两种染料敏化的 TiO2 复合物显示出更高的光催化活性。
