柠檬酸在纳米材料合成中扮演“结构导向剂”与“还原剂”双重角色。制备银纳米颗粒（AgNPs）时，
柠檬酸通过羧基吸附在银离子（Ag⁺）表面，控制颗粒生长方向，同时其还原性将Ag⁺还原为Ag⁰，形成直径10-20nm的球形颗粒，该尺寸下银的表面等离子共振效应最强，可吸收400-500nm可见光，产生热电子与空穴，破坏细菌细胞膜（抗菌率达99.9%）。2023年，中国科学技术大学将柠檬酸-银纳米颗粒负载于棉纤维，制成抗菌口罩，对新冠病毒（SARS-CoV-2）的灭活效率比普通口罩高8倍；
在光催化领域，柠檬酸与钛酸四丁酯反应可制备锐钛矿型二氧化钛（TiO₂）纳米管，其管径50nm、长度2μm，比表面积达150m²/g，在紫外光照射下，1小时内可降解90%的亚甲基蓝染料（传统TiO₂需4小时），且柠檬酸修饰的TiO₂表面带负电，能吸附更多带正电的污染物分子。更创新的应用是柠檬酸-石墨烯量子点：通过柠檬酸热解制备的量子点（直径2-5nm）具有蓝色荧光，可用于细胞成像，同时其边缘的羧基能与重金属离子（如汞Hg²⁺）强烈结合，检测限低至0.01ppm，为水体重金属污染治理提供新工具。
