（1）能量存储与转换
①超级电容器
石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少。即使如此，石墨烯仍然可以获得 100～230F/g 的比电容。
②在锂电池中应用
三星相关研究发现，石墨烯锂离子电池较普通锂离子电池的容量提升了 2 倍，且 200 次充放电之后，还能维持 1.5 倍的能量密度。
③在太阳能电池中应用
零带隙二维石墨烯材料具有高载流子迁移率、较好的电子传输能力、大比表面积、质地坚硬；在空气中不会被腐蚀、也不会降解、性能非常稳定。所有这些特性使石墨烯成为制造太阳能电池的好选择。
（2）传感器
目前制备的石墨烯传感器可用来检测 NO2、SO2、CO 以及 H2等众多小分子。由于石墨烯具有优异的生物相容性、高的载流子迁移率及热导率，可极大提升生物传感器的各种性能。石墨烯生物传感器不仅可以检测生物体内的小分子还可以检测像蛋白质、DNA 等生物大分子。目前研究较多还有石墨烯压力传感器、石墨烯温度传感器、石墨烯湿度传感器等不同类型的传感器。
（3）生物医药
在药物载体、基因测序、生物传感器等中的应用前景广阔。石墨烯具有单原子层结构，比表面积大，适用于药物载体。科学研究表明，功能化的石墨烯材料有望用作可控释放及靶向给药的药物载体，
此外，石墨烯还可用于基因测序。美国宾夕法尼亚大学的研究小组利用电子束技术，在石墨烯膜上烧灼出纳米大小的孔，在电场的作用下，微小的 DNA 链就可以穿过这些孔洞，通过电子测量手段检测 DNA 的易位，再根据 DNA4 个碱基各自独特的“电子签名”，就可以快速完成 DNA 测序。
（4）复合材料
石墨烯复合材料主要包括石墨烯金属复合材料、石墨烯高分子复合材料及石墨烯无机非金属材料。基于石墨烯巨大的比表面积，石墨烯金属纳米粒子复合材料可用来作催化剂。与炭黑相比，石墨烯金属纳米粒子的催化活性更高、耐毒性更好且催化剂的稳定性更好。而利用石墨烯的高强度及柔性，将其加入金属基体中可以合成质轻、高强度、高模量的金属基复合材料。
在高分子复合材料领域，基于优异的导电、导热及力学特性，石墨烯被视为导电橡胶、导电塑料、导热塑料等功能高分子复合材料的最理想的填料，在提高复合材料功能性的同时，还可以显著改善复合材料的机械性能。
具有优质特性的石墨烯和纤维素为原料，通过目前工业可用的湿纺技术制备石墨烯纤维及其纺织品，一方面利用石墨烯纤维极高的拉伸强度，有望超越碳纤维应用于航空航天、汽车、军工等领域，另一方面由于石墨烯纤维还能赋予复合材料于优良的力学、电学、热学、防辐射、抗菌性等功能特性，所制备的石墨烯/纤维素功能复合纤维及相应纺织产品在超导热导电服装材料、抗菌医用材料、生物医学纺织材料、阻燃材料、轻质纤维基导热导电复合材料等领域具有广泛的应用。
（5）节能环保
在大气污染治理与防治领域，石墨烯可以作为催化剂，催化污染气体的转化。
在水污染处理领域，石墨烯可作为载体制备高性能催化剂，催化污水中的重金属的转化；也可以作为重复使用的吸附剂，吸附水中的重金属以及有机染料、溶剂以及泄露的原油等。
在土壤污染治理方面，石墨烯可作为可回收、吸附容量高的吸附剂材料对有机污染物和重金属进行吸收。
在海水淡化领域，通过控制石墨烯薄膜上孔径的大小可允许水分子的通过，而将盐离子阻隔，在减少能源使用的同时实现海水的快速淡化。
在润滑添加剂方面，石墨烯具有超薄的片层结构优异的力学性能和自润滑性，这些特性使其在该应用领域受到关注。
此外，由于石墨烯的热电转换效率极高，因此在节能环保领域也有着广泛的应用前景。
（6）柔性显示
石墨烯由于具有优异的导电性，可弯折、机械强度好以及良好的透明性，使其在柔性显示领域有着广阔的应用前景。相较于氧化铟锡（ITO），石墨烯具有更佳的柔性及透光性。这种超柔性的（Ultra-Flexible）石墨烯让许多产品得以实现。
（7） 热管理材料
石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK。因此，石墨烯作为极佳的散热材料，可用于智能手机、平板电脑、大功率节能 LED 照明、卫星电路、激光武器、高集成度系统热点等的散热。此外，由于石墨烯的热电转化效率极高，且由于是碳材料发热，因此具有快速红外加热的特性，对人体以及环境无害，因此在可穿戴设备以及健康智能家居领域具有巨大的应用前景。
（8）防腐涂料
将采用还原氧化石墨法制备的石墨烯作为防腐填料加入到树脂涂料中制备得到的石墨烯防腐涂层，研究表明，石墨烯的加入有效提高了涂层的防腐性能，加入石墨烯含量约 1%，其涂层防腐效果就能得到明显提高。石墨烯良好的防腐性能主要来自于其优良的导电性、独特的二维片层结构起到的突出的物理隔绝作用，以及其表面疏水等特性。
（9）代替硅生产电子产品
石墨烯具有一个非常好的特性，即被切成1nm 宽的元件，仍具有高的导电性。而当硅被分割成 10nm 的小片后，其电子性能将会消失。因此可用石墨烯制备更小的电子产品。此外，石墨还可以取代硅制造石墨烯晶体管，据估计，石墨烯芯片处理器的频率有望达到 1THz 以上。虽然目前石墨烯的研究仍然处于基础研究阶段，但基于其优异的性能以及制备石墨烯的原料是价格低廉的石墨，用石墨烯替代硅制造电子产品的应用前景广阔。
