石墨烯是由碳原子通过 sp2杂化 ，构成的单层蜂窝状二维网格结构。石墨烯的同素异形体有富勒烯（零维 ），卷曲成碳纳米管（一维 ），堆垛成石墨（三维 ）。 2004年 ，英国曼彻斯特大学物理学教授 Geim 等，用胶带反复剥离高定向热解石墨烯可以折叠成零维的富勒烯，卷曲成一维的石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯 。
具有超大的比表面积，理论值2630m2/g
机械性能优异，杨氏模量达 1.0TPa
热导率为5300W m -1K -1，是铜热导率的10多倍
对光只有2.3%的吸收
机械剥离法是利用机械力，将石墨烯从高定向热解石墨晶体表面剥离下来的方法。臼式研磨仪可以看作是一个电动的研钵，它通过电机控制钵体围绕杵运动，在给粉体施加压力的同时带动粉体之间相互摩擦达到研磨的目的，这种研磨的方式有效的避免了撞击对石墨晶格造成的破坏。
石墨具有典型的层状结构每个碳原子周围都有四个价电子，层面上碳原子间距为0.142nm，并且每个碳原子以其外层的三个价电子分别与相邻的碳原子以sp2杂化轨道形成的共价键相连接，具有极强的键合能（345kJ/m01），从而形成牢固的六角网状平面结构；第四个具有活泼性的2p电子形成所谓的离域7c键，使石墨本身具有很大的活泼性，很容易被强氧化剂氧化。该方法典型的步骤是，先将天然石墨用Hummers方法氧化成氧化石墨，然后将100mg氧化石墨加入到100mL水中形成黄色的混合溶液，超声振荡混合溶液一段时间；随后将1mL水合肼加入上述溶液中，在水冷凝器中加热到100°C并且保温24小时，随后对氧化石墨进行充分地还原，即可得到石墨烯。
2010 年 3 月，在中国科学院院长特别基金和国家自然基金项目的支持下，国家纳米科学中心石墨烯纳米生物传感器研究取得突破。国家纳米科学中心和美国哈佛大学合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触，建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，为生物电子学的研究带来了新的机遇。
分散的 GNs具有非常大的储能活性, 这源自于其高达 2630 m2/g 的理论比表面积, 基于这个优点石墨烯可被用于超级电容器的电极. Stoller 等人对石墨烯进行化学修饰得到 FGs, 将其用于 EDLC超级电容器的电极, 并对电容器的性能进行测试. 研究显示 FGs 能够与多种EDLC 常用的电解质相容, 其中以水溶性氢氧化钾为电解质, 比电容可达 135 F/g; 以易溶于有机溶剂的四乙胺-四氟硼酸盐为电解质, 比电容可达 99 F/g。石墨烯的高导电率还能够使电容器。
这种方法基于改进后的Hummers方法。首先，石墨氧化物一般用天然石墨制备。在氧化后，已得到获得可溶性石墨一些化学方法。这些方法包括：在稳定介质中氧化石墨的还原，羧基酰胺化的共价改性，还原石墨烯氧化物的非共价改性，环氧基得亲核取代，以及重氮盐的耦合。
聚合物复合材料兴起于 20 世纪 60 年代, 但直到最近十年科学家们才懂得如何制备纳米复合材料 ,目前碳基纳米增强体的研究主要集中在石墨和碳纳米管等方面。石墨烯兼具石墨和碳纳米管的很多优秀性能, 如高比表面积、低廉的价格以及良好的机械性能、热传导性、导电性等。 因而石墨烯被视为新的高性能纳米增强体, 可以为聚合物复合材料带来多方面的性能提升。由于石墨烯与有机聚合物相容性不好，并且不能形成均匀的复合材料，而导致性能下降。为了提高性能石墨烯在聚合物基质和石墨烯与聚合物相互作用的影响需要加以改进，这种改进可由石墨表面改性实现。石墨烯表面上的有机分子的亲核加成是达到批量生产表面改性石墨烯的最好的方式。这种方法在很多方面是非常有优势的。例如，水可以作为溶剂，用较低的成本胺类化合物可作为表面改性剂，反应可在空气中进行，表面改性石墨烯可以容易分散在不同的有机介质中。表面改性石墨烯在溶剂中的分散性有利于石墨烯基聚合物纳米复合材料。