自2004年第一次制备得到独立的单层石墨烯以来，众多科学家展开了对石墨烯的研究，石墨烯已经成为材料及凝聚态物理领域一颗闪耀的新星。石墨烯以其非凡的性质在多个领域都展现出广阔的应用前景。

复合材料

石墨烯由于具有极高的力学性能和电学性能，在作为聚合物基体的增强功能化添加剂方面被认为据有广泛的研究前景。石墨烯的添加不仅有利于聚合物基体电性能，热传导性能的改善，对于提高玻璃化转变温度，改善复合材料力学性能也具有重大意义。

纳电子器件领域

2005年，研究人员发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10cm/V·s)，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300K下可达0.3m)，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。

代替硅生产超级计算机

石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊，由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中，它们被要求使用越来越高的频率，电路中的工作频率越高，热量也越高，于是，高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现，高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

超级电容器

由于石墨烯具有极高的理论比表面积，结构上属于独立存在的单层石墨晶体材料，故石墨烯片层的两边均可以负极电荷形成双电层。通过化学法制备的石墨烯由于结构的不稳定性以及潜在的官能团容易形成宏观聚集体，石墨烯片层之间互相杂乱堆叠分布，导致有效双电层的面积减少。解决其宏观条件下的团聚使其表面积得到有效增加，有可能获得高于多孔炭的比电容。由于石墨烯片层所特有的皱褶以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基的超级电容器具有良好的功率特性。

太阳能电池

2010年，研究人员首次将石墨烯覆盖在传统的单晶硅材料上，研究发现其具有优异的光电转换性能。这样一个简易的太阳能电池模型，经过优化提升后光电转换效率可以达到10%以上。石墨烯-硅模型还可以进一步拓展为石墨烯与其它半导体材料的结构。这种可以将石墨烯与传统材料结合的模型，对石墨烯的实际应用具有重要的推动作用。

光子传感器

石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上，这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的，这个角色一直由硅担当，但硅的时代似乎将要结束。研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器，接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其它材料具有更优良的透光性。

基因电子测序

由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。

储氢

石墨烯与碳纳米管结合可以形成三维网络结构用于储氢，通过计算方法得知在掺杂锂离子的情况下，其常压储氢能力可以达到41g/L。Ghosh等人利用剥离氧化石墨并进行纳米钻石转换得到的材料在一个大气压下，77K可以吸附1.7%的气体。氢气吸附量随表面的改变呈现线性变化。在100个大气压，298K条件下吸附量可以达到甚至超过3%，表明单层石墨烯具有更大的储氢量。

其它应用

石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用这一特点石墨烯可以用来做绷带，食品包装甚至抗菌T恤。

用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管，石墨烯还可以取代灯具上的传统金属石墨电极，使之更易于回收。

石墨烯不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。