光触媒的催化效率主要受电子-空穴对复合速率制约。TiO₂中电子-空穴对的复合时间约10⁻⁸-10⁻⁹s，而表面反应时间约10⁻⁷-10⁻⁸s，两者竞争激烈。量子效率（incident photon-to-current efficiency, IPCE）通常低于10%，商业P25型TiO₂在365nm光照下的量子效率约4.3%。提高量子效率的策略包括：1）贵金属沉积（如Pt、Ag负载）——在TiO₂表面形成Schottky势垒，促进电子-空穴分离，效率提高2-5倍；2）离子掺杂——Fe³⁺、N掺杂引入杂质能级，拓展可见光响应并抑制复合；3）构建异质结——将TiO₂与WO₃、SnO₂等复合形成Ⅱ型异质结构，空间分离电子-空穴对。
