1.單分子氣體偵測
石墨烯獨特的二維結構使它在傳感器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發生電阻的局域變化。當然，這種效應也會發生于別種物質，但石墨烯具有高電導率和低噪聲的優良品質，能夠偵測這微小的電阻變化。
2.光能飛行器
中國南開大學2015年6月中在《自然》期刊下屬的自然光學期刊發布了一則研究報告，[66]陳永勝教授其團隊發現一種特殊三維構型的石墨烯塊，在室溫且真空無阻力下被光線照射時居然會被推進移動，其效應是巨觀的而非微觀，半公分立方大小的實驗體被光線照射后前進了數公分距離，其原理還是謎，推測可能是該種構型石墨烯在受光后瞬間會產生大電子流，其非常適合用于太空領域的太陽帆，計算得知約50平方米的石墨烯帆能讓5公斤的酬載物在20分鐘加速到第一宇宙速度。
3.石墨烯納米帶
為了要賦予單層石墨烯某種電性（比如制造晶體管），會按照特定樣式切割石墨烯，形成石墨烯納米帶（Graphene nanoribbon）。切開的邊緣形狀可以分為鋸齒形和扶手椅形。采用緊束縛近似模型做出的計算，預測鋸齒形具有金屬鍵性質，又預測扶手椅形具有金屬鍵性質或半導體性質；到底是哪種性質，要依寬度而定。可是，近來根據密度泛函理論計算得到的結果，顯示出扶手椅形具有半導體性質，其能隙與納米帶帶寬成反比，實驗結果確實地展示出，隨著納米帶帶寬減小，能隙會增大。但是，直至2008年2月，尚沒有任何測量能隙的實驗試著辨識精確邊緣結構。
石墨烯納米帶的結構具有高電導率、高熱導率、低噪聲，這些優良品質促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。有些研究者試著用石墨烯納米帶來制成量子點，他們在納米帶的某些特定位置改變寬度，形成量子禁閉（quantum confinement）。
石墨烯納米帶的低維結構具有非常重要的光電性能：粒子數反轉和寬帶光增益。這些優良品質促使石墨烯納米帶放在微腔或納米腔體中形成激光器和放大器。 根據2012年10月的一份研究表明有些研究者試著用石墨烯納米帶應用于光通信系統，發展石墨烯納米帶激光器。
4.集成電路
石墨烯具備作為優秀的集成電路電子器件的理想性質。石墨烯具有高的載子遷移率（carrier mobility），以及低噪聲，允許它被用作在場效應晶體管的通道。問題是單層的石墨烯制造困難，更難作出適當的基板。
根據2010年1月的一份報告中，對SiC外延生長石墨烯的數量和質量適合大規模生產的集成電路。在高溫下，在這些樣品中的量子霍爾效應可以被測量。另請參閱IBM在2010年的工作的晶體管一節中，速度快的晶體管'處理器'制造了2-英寸（51-毫米）的石墨烯薄片。
2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成功地創造了第一個石墨烯為基礎的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10 GHz，其性能在高達127℃的溫度下不受影響。
5.石墨烯晶體管
2005年，Geim研究組與Kim研究組發現，室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率（約10 am /V·s），并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300 K下可達0.3 m），這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。在現代技術下，石墨烯納米線可以證明一般能夠取代硅作為半導體。
6.透明導電電極
石墨烯良好的電導性能和透光性能，使它在透明電導電極方面有非常好的應用前景。觸摸屏、液晶顯示、有機光伏電池、有機發光二極管等等，都需要良好的透明電導電極材料。特別是，石墨烯的機械強度和柔韌性都比常用材料氧化銦錫優良。由于氧化銦錫脆度較高，比較容易損毀。在溶液內的石墨烯薄膜可以沉積于大面積區域。
通過化學氣相沉積法，可以制成大面積、連續的、透明、高電導率的少層石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的陽極，并得到高達1.71%能量轉換效率；與用氧化銦錫材料制成的元件相比，大約為其能量轉換效率的55.2%。
7.導熱材料/熱界面材料
2011年,美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）學者首先報道了垂直排列官能化多層石墨烯三維立體結構在熱界面材料中的應用及其超高等效熱導率和超低界面熱阻。
場發射源及其真空電子器件
早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯納米墻就被成功制備出來。它被看作是非常優良場致發射電子源材料。最近關于單片石墨烯的電場致電子發射效應也見諸報道。
8.超級電容器
由于石墨烯具有特高的表面面積對質量比例，石墨烯可以用于超級電容器的導電電極。科學家認為這種超級電容器的儲存能量密度會大于現有的電容器。
9.海水淡化
研究表明，石墨烯過濾器可能大幅度的勝過其他的海水淡化技術。
10.太陽能電池
南加州大學維特比工程學院的實驗室報告高度透明的石墨烯薄膜的化學氣相沉積法在2008年的大規模生產。在這個過程中，研究人員創建超薄的石墨烯片，方法是在甲烷氣體中的鎳板上，由首先沉積的碳原子形成石墨烯薄膜的形式。然后，他們在石墨烯層之上鋪一層熱塑性保護層，并且在酸浴中溶解掉下面的鎳。在最后的步驟中，他們把塑料保護的石墨烯附著到一個非常靈活的聚合物片材，它可以被納入一個有機太陽能電池（石墨烯光伏電池）。石墨烯/聚合物片材已被生產，大小范圍在150平方厘米，和可以用來生產靈活的有機太陽能電池。這可能最終有可能運行能覆蓋廣泛的地區的廉價太陽能電池，就像報紙印刷機的印刷報紙一樣（卷到卷, （roll-to-roll））。
2010年，Xinming Li和Hongwei Zhu等人首次將石墨烯與硅結合構建了一種新型的太陽能電池。在這種簡易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不僅可以作為透明導電薄膜，還可以在與硅的界面處分離光生載流子。這種可以與傳統硅材料結合的結構，為推動基于石墨烯的光伏器件開辟了新的研究方向。
11.石墨烯生物器件
由于石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺寸厚度、分子閘極結構等等特色，應用于細菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優良的選擇。
科學家希望能夠發展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認為石墨烯是一種具有這潛能的材料。基本而言，他們想要用石墨烯制成一個尺寸大約為DNA寬度的奈米洞，讓DNA分子游過這奈米洞。由于DNA的四個堿基（A、C、G、T）會對于石墨烯的電導率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個堿基正在游過奈米洞。這樣，就可以達成目的。
12.抗菌物質
中國科學院上海分院的科學家發現石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長超級有效，而且不會傷害到人體細胞。假若石墨烯氧化物對其他細菌也具有抗菌性，則可能找到一系列新的應用，像自動除去氣味的鞋子，或保存食品新鮮的包裝。
13.石墨烯感光元件
一群來自新加坡專精于石墨烯材質研究的科學家們，現在研發出將石墨烯應用于相機感光元件的最新技術，可望徹底顛覆未來的數位感光元件技術發展。
新加坡南洋理工大學學者，研發出了一個以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過其特殊結構，讓感光元件感光能力比起傳統CMOS或CCD要好上1,000倍，而且損耗的能源也僅需原本的1/10。這個感度幾乎提升到爆表的最新感光元件技術，根據資料，實際上還真的厲害到超出人眼可視的中紅外線范圍。與許多新的感光元件技術相同，這項技術初期將率先被應用在監視器與衛星影像領域之中。但研究也指出，此技術終將應用在一般的數碼相機?/ 攝影機之上，假若真的進入消費領域以石墨烯打造的最新感光元件，還可能制造成本壓到現今的1/5低。

標簽：可運石墨優異