氧化石墨的结构和性质取决于合成它的方法。氧化石墨仍然保留石墨母体的片状结构，但是两层间的间距(约0.7nm)大约是石墨中层间距的两倍。严格的说，"氧化"一词是不正确的，只是由于历史原因而保留下来了。在氧化石墨中，除了纯粹引入氧原子的过氧键外，实验证实，结构中还存在其他种类官能团，比如羰基(=CO)、羟基(-OH)和酚羟基。 氧化石墨层的厚度约为1.1 ± 0.2 nm。扫描隧道显微镜表明在氧化石墨中某些区域内，氧原子以0.27 nm × 0.41 nm的晶格常数排列为矩形。在氧化石墨层的最边缘均为羰基或羧基。
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