結構完整的石墨烯是由不含任何活性鍵的苯環組合而成的二維晶體，其化學穩定性高，表面呈惰性狀態，與其它介質的相互作用較弱，這對石墨烯的研究與應用造成了較大的困難。因此必須對其進行功能化，通過引入特定的官能團，改善其性能，拓寬其應用領域。目前對石墨烯的功能化，主要包括共價鍵功能化和非共價鍵功能化兩種方法。
(1)石墨烯的共價鍵功能化
在化學法合成石墨烯的過程中，由于氧化石墨烯的邊沿和缺陷部位含有大量羧基、羥基、環氧鍵等活性基團，具有較高的反應活性，可以通過進行多種化學反應實現共價鍵功能化。
科學家制備得到PVA功能化的石墨烯，具體方法是利用羧基與聚乙烯醇（PVA)分子上的羥基間的酯化反應，將PVA共價鍵合到石墨烯表面。此石墨烯可以較好地、穩定的分散到水相和極性有機溶劑中。利用端基為-NH2的離子液體對石墨烯進行功能化，離子液體所帶正電荷之間的靜電斥力可使石墨烯穩定地分散到水中以及DMF、DMSO等有機溶劑中。
(2)石墨烯的非共價鍵功能化
非共價鍵功能化是利用π-π相互作用、離子鍵以及氫鍵等非共價鍵作用，使修飾分子對石墨烯進行表面功能化，從而形成穩定的分散體系。
非共價鍵的許多方法都是從CNT處獲得的，科學家將聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)附著在氧化石墨烯表面后對其化學還原，得到了PSS修飾的石墨烯。PSS與石墨烯之間較強的非共價鍵的作用，阻止了石墨烯片的團聚，使得該復合物在液相中的分散性較好。
芘及其衍生物能與石墨烯形成強的π-π相互作用，從而對石墨烯表面達到修飾的目的，利用芘丁酸作為修飾劑，成功制備了芘丁酸一石墨烯復合物，該復合物能穩定地分散在水相體系中，此復合材料的膜的電導率可達200 S/m。
