石墨烯是一种由单层碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，被誉为“21世纪的新材料之王”。结构与性质原子结构石墨烯是碳的同素异形体之一，由一层碳原子组成，每个碳原子通过3个σ键与相邻碳原子连接，剩余1个p电子形成离域大π键，形成稳定的二维蜂窝状结构。物理特性强度极高：抗拉强度达130 GPa，是钢的200倍以上，同时保持极轻的质量（密度仅约2.2 g/cm³）。导电性优异：电子迁移率高达200,000 cm²/(V·s)，是硅的100倍以上，室温下量子霍尔效应显著。导热性极佳：热导率约5000 W/(m·K)，是铜的10倍以上。透光性：单层石墨烯对可见光的吸收率仅2.3%，几乎透明。柔韧性：可弯曲至180度而不破裂，适合柔性电子器件。化学性质表面可通过化学修饰引入官能团（如羟基、羧基），调控其亲水性或反应活性。在氧气中高温下可燃烧生成CO₂，但在常温下化学稳定性良好。

制备方法机械剥离法用胶带反复剥离高定向热解石墨（HOPG），获得单层石墨烯。此方法简单但产量低，适合实验室研究。化学气相沉积（CVD）在高温下将甲烷等碳源分解，碳原子在金属基底（如铜、镍）上沉积形成石墨烯。可制备大面积、高质量薄膜，是工业化的主流方法。氧化还原法将石墨氧化为氧化石墨烯（GO），再通过化学还原或热还原去除含氧基团，得到还原氧化石墨烯（rGO）。成本低但缺陷较多，常用于复合材料。外延生长法在单晶硅碳化物（SiC）表面高温脱硅，生成石墨烯。适用于制备特定晶向的石墨烯，但设备要求高。

应用领域电子器件晶体管：石墨烯的高电子迁移率使其成为未来高速、低功耗芯片的候选材料。柔性显示屏：透明、导电且柔韧，可用于可折叠手机、电子纸等。传感器：高灵敏度检测气体、生物分子或压力变化，如葡萄糖传感器、压力传感器。能源存储与转换超级电容器：高比表面积和导电性提升能量密度和充放电速度。锂离子电池：作为负极材料或导电添加剂，提高电池容量和循环寿命。太阳能电池：透明导电电极替代传统氧化铟锡（ITO），降低成本。复合材料与聚合物、金属或陶瓷复合，增强材料的强度、导电性或导热性，如航空航天材料、运动器材。生物医学药物递送：石墨烯氧化物可负载药物，通过靶向释放提高治疗效果。抗菌材料：表面锋利边缘可破坏细菌细胞膜，用于伤口敷料或医疗器械涂层。生物成像：荧光特性可用于细胞标记或肿瘤检测。其他领域海水淡化：石墨烯膜的高通量和选择性可高效过滤盐分。量子计算：作为拓扑绝缘体或量子比特载体，探索量子信息处理。