在石墨烯表面引入了大量环氧键羟基边缘羧基，红宝石电解电容石墨烯化学性能

石墨烯的化学性能，石墨烯因为同时具有面内的碳-碳σ键和面外的π电子，所以一方面具有很高的结构稳定性以及热和化学稳定性；另一方面如果进行适当的官能团的修饰将具有丰富的化学活性。例如氧化、氢化等几种代表性的化学吸附和掺杂修饰。化学氧化还原法是大规模制备石墨烯材料的一种重要的方法。在石墨材料中，各片层之间通过范德瓦尔斯力(van der Waals force)相互作用形成间距为0.34nm的紧密结合。在化学氧化还原方法中，首先在氧化、超声振动等环境下将多层石墨各层之间的范德瓦尔斯力相互作用破坏，从而形成单原子层的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)。氧化过程中，在石墨烯的表面引入了大量的环氧键、羟基和边缘的羧基。氧化石墨烯通过化学还原的方法进行还原，得到氧化还原石墨烯(Reduced Graphene Oxide,RGO)。红宝石电解电容石墨烯被氧化后的物理性质有显著的改变。首先是环氧基中C—O—C键角发生弯曲，而氧原子向石墨内方向运动，由此得到其杨氏模量为610GPa，较石墨烯的1.1TPa低。在高载荷下氧原子与石墨烯中的碳原子共平面，而后材料的断裂从碳-碳键处开始，于是其拉伸强度和石墨烯相比并无大的改变。此外，石墨烯的电子结构也因环氧基的引入有很大的变化，从石墨烯的零带隙金属变为半导体。石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料由其极大的比表面积和较小的密度，被认为是吸附储氢的理想材料。石墨烯表面的孤立π电子可以与游离的氢原子反应，形成氢化物石墨烯结构。在此结构中，每个碳原子最多可与一个氢原子形成共价键，从而形成碳氢化合物CH。在完全氢化的石墨烯中，氢的质量达到7.7%，超过了美国国家能源部氢项目的预期目标6%。使用石墨烯材料储氢的一个特点是化学吸附的氢原子可以通过热退火的方法进行释放。除了氧化和氢化之外，其他化学修饰与掺杂也引起学术界的关注。例如，通过含氟官能团的修饰，红宝石电解电容石墨烯可以从导体转变为绝缘体，因为其结构和化学稳定性很好，且仍然具有超过钢的力学性质，被认为可以作为Teflon的替代材料。此外，同传统的硅等半导体一样，石墨烯也可以通过硼、氮等元素在石墨烯的面内或者边缘进行有效的p型或n型掺杂。通过空位和拓扑缺陷对石墨烯进行掺杂也是一种对石墨烯进行改性的有效方法。