当半导体颗粒尺寸减小到接近或小于其激子波尔半径（TiO₂约2.5nm）时，出现量子尺寸效应。量子尺寸效应导致有效禁带宽度增大，吸收光谱蓝移。对于TiO₂纳米晶，当粒径从20nm减小到3nm时，禁带宽度从3.20eV增大到3.63eV，对应的光吸收阈值从387nm蓝移至342nm。量子尺寸效应还提高了电子-空穴对的氧化还原电势，增强光催化活性。然而，过小的粒径（<5nm）会增大表面缺陷密度，促进载流子复合，反而降低量子效率。研究表明TiO₂纳米晶的适宜光催化活性尺寸为8-12nm，此范围内比表面积约200-300m²/g，表面活性位点密度约5-8个/nm²。
