石墨烯具有廣闊的應用空間和巨大的經濟效益。據預計，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件，在納米電子器件、光電化學電池、超輕型飛機材料等研究領域得到應用。正是在這一背景下，目前國內外對石墨烯技術的應用研究如火如荼，而主要的研究熱點則集中在儲能、電化學分析和石墨烯的生物安全性等方面。
儲能材料領域
新型儲能材料的研發是推動高效儲能技術發展的基礎。近年來，化學儲能領域對石墨烯的研究主要集中在氫能存儲、超級電容器制造、鋰離子電池和鋰-空氣電池制造等4方面。研究的重點則集中在對石墨烯制備方法的探索，對石墨烯功能化的試驗研究以及基于石墨烯本身性質來研發結構完善的高性能石墨烯基儲能元件。
儲氫方面。氫能源作為二次清潔能源是能源發展計劃中不可或缺的新能源之一。其具有損耗少、無污染、回收利用率高、且利用形式多樣等特點，被譽為21世紀的綠色能源。利用特殊材料吸附氫是一種新型的儲氫方法，研究結果表明，目前已使用的活性炭、富勒烯以及碳納米纖維等碳材料的儲氫能力均未達到理想的狀態，而作為sp2雜化碳基本構成單元的石墨烯自問世以來，就展現出相對于其他碳材料更為優異的儲氫性能，國內外學者也因此積極探索石墨烯及其復合結構在儲氫方面的潛能。一些科學家結合鈀納米顆粒與石墨烯材料，制成二維石墨烯納米片，與活性炭材料混合后生成一種全新的儲氫材料。研究結果表明，該儲氫材料的儲氫量在壓力為10MPa 狀態下可以達到0.82%（質量分數），相較于單純的鈀納米材料提升了近49%，該材料不僅存儲性能良好且吸附性的可逆程度較高。
超級電容器方面。超級電容器又可稱為雙電層電容器，是一種新型儲能器件，具有充放電效率高、綠色環保、安全可靠、以及循環可逆性等優點，可以廣泛應用于移動通訊、計算機技術、航空航天和國防科技等領域。因此其獨立支撐的電極必須具備力學強度高和電容大的特質。相對于其他碳材料，石墨烯的電導率高、比表面積大、且化學結構穩定，更加適合作為超級電容器電極材料。目前大多數研究觀點認為高溫環境是化學法還原氧化石墨烯的必要條件，但有科學家在真空環境下，并在200℃這一遠低于理論臨界剝離溫度的條件下成功制得了石墨烯。相比高溫法制得的石墨烯，通過這種方法制出的石墨烯，其比容量更高，達到了279 F/g。
然而，當前對石墨烯、金屬氧化物以及導電聚合物復合材料的研究仍限于實驗室內，還未解決如何規模化制備質量良好的石墨烯及其復合材料的問題，對基于石墨烯的超級電容器的體積比性能的研究也較欠缺。
