Фамилия Катионова на первый взгляд кажется книжной или даже научной — из-за совпадения с химическим термином «катион». Но на самом деле её основа гораздо старше и проще. В русских фамилиях корень «кат-» обычно восходит к просторечным или диалектным формам имён, а не к науке XIX века.

Словообразовательная модель здесь стандартная: суффикс -ов- указывает на принадлежность («чей?»), окончание -а — женский род. Мужской вариант — Катионов. Основа «Катион» — это, скорее всего, не прямое заимствование из физики, а производное от имени Катион, которое в свою очередь является уменьшительной формой от канонического имени Никита (через народные варианты Микита, Микитка, Катит). Или же от редкого имени Катион, которое могло быть усечением от Авксентий (в просторечии Аксён, Катён). В любом случае, корень связан с личным именем, а не с электричеством.

Географически фамилия редкая и сосредоточена в центральных и южных областях России. Встречается в архивных записях по Тамбовской, Рязанской и Воронежской губерниям. Там же зафиксированы однокоренные фамилии: Катионин, Катионцев, Катионкин. Все они образованы от одного прозвища или имени, но разными суффиксами, что типично для крестьянской среды, где фамилии часто складывались стихийно.

В дореволюционных метрических книгах фамилия Катионова иногда писалась через «е» — Катионова, что подтверждает её народное, а не книжное происхождение. Если бы она была связана с термином, написание было бы строго фиксированным. Так что предки носителей этой фамилии были, скорее всего, крестьянами или мещанами, а сама фамилия — результатом естественного развития русской антропонимии, где редкое имя дало начало необычному родовому прозванию.