石墨烯是各种形态石墨材料的母体，既可以卷曲形成零维的富勒烯和一维的碳纳米管，也可以堆叠形成三维的石墨。根据碳原子层数的不同，石墨烯可以分为单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯，多层石墨烯的碳原子层数一般不超过10 层石墨烯纳米材料包括石墨烯和氧化石墨烯(graphene oxide，GO)以及石墨烯的各种衍生物。
作为一种新型的纳米材料，石墨烯在光学、电学、力学、化学等方面均具有独特且优异的性能。石墨烯的单层碳原子结构使其具有很高的比表面积优良的导电性能，以及导热性能(热传导速率可达 5000 W/(m·K))。同时其具有很高的强度和韧性，力学性能十分优异，杨氏模量可达 1.0Tpa。在化学方面，石墨烯也具有优异的性能，包括强疏水性、强化学稳定性、高通用性以及高可调性等。此外，由于具有稳定的正六边形晶格结构，石墨烯还具有室温量子隧道效应和室温量子霍尔效应。由于具有这些独特的性能，石墨烯纳米材料在能源科学、材料学、环境保护以及生物医学等领域均具有广阔的应用前景。
石墨烯材料在不用领域的研究
01能源领域
石墨烯由于比表面积较大、导电性能和力学性能优异，可以用于制作超级电容器和太阳能电池同时，石墨烯优异的电学性能和化学性能使其在电极材料和电池材料的制作中广泛应用，使用石墨烯改进锂离子电池的储电性能是当前研究的热门领域。此外，石墨烯还可以作为催化剂用于燃料电池，以及作为吸附剂用于储氢材料的研制。
02材料学领域
由于在光学、电学、力学、化学等各方面的优异表现，石墨烯可以用于很多种材料的制作或改良，例如制作半导体器件、显示器、超高性能的芯片、高分子复合材料、导电涂料以及电池电极材料。此外，石墨烯复合材料也是当前研究的热门领域．以石墨烯为基础的各种复合材料在不同方面对其性能进行了改良，因而具有更加广泛的应用前景。
03环境领域
在环境领域，一方面石墨烯作为一种相对环保的材料可以直接替代那些污染较重的材料，减少环境污染尤其是石墨烯作为新型材料在能源领域的应用，既可以提高能源的利用效率，又可以代替某些高污染的材料，对节能减排具有重要贡献。同时，其在环境污染治理和检测方面也有重要应用，经过改性的石墨烯材料具有良好的吸附性能和催化性能，已被用于海水淡化和污水处理。
04生物医药领域
由于具有超高的比表面积和表面活性，经过表面修饰的石墨烯可作为有效的药物载体进行药物输送，在提高载药量的同时实现靶向输送和药物的控释或缓释，从而提高疗效。这在抗癌药物和基因治疗药物的靶向运输中具有很好地应用前景。同时，石墨烯纳米材料具有明显的抗菌效果和良好的生物相容性，可用于抗菌材料的研制或作为抗菌物质 的载体。此外，稳定的化学性能和独特的光学性能使石墨烯在生物成像和疾病诊断方面也具有优异的表现。