그래핀 표면에 산화를 일으켜 만든 물질로, 그래핀과는 달리 물에 잘 녹고 생분해가 가능한 특징을 갖고 있다. 

"산화 그래핀"은 그래핀이 산화되면서 탄소 결합 사이에 산소가 끼어들어, 그래핀에 산소가 붙어 있는 형태를 말한다. 예컨대 흑연에 황산 등의 강한 산을 넣고 반응시킬 경우 그래핀이 산화되면서 산소로 치환되는데, 이것이 ‘산화 그래핀’이 되는 것이다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결돼 2차원의 평면 구조를 이루는 물질로, 매우 얇고 투명하며 화학적 안전성과 전기 전도성이 뛰어나다. 특히 신축성이 좋아서 늘이거나 접어도 전기 전도성을 잃지 않기 때문에 "꿈의 나노물질"로 불린다.

산화 그래핀은 그래핀 소재를 대량으로 합성하려는 목적에서 시작된 것이다. 2004년 러시아 출신 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 스카치 테이프를 이용해서 흑연에서 그래핀을 분리하는 방식을 고안해 냈으나 이는 대량으로 얻을 수는 없다는 한계가 있었다. 산화 그래핀은 흑연의 산화를 이용한 화학적 박리법을 통해 얻을 수 있는데, 가장 많이 사용되는 산화 그래핀 합성법은 과망간산포타슘(KMnO4)과 황산(H2SO4)으로 흑연을 산화시키는 휴머스 방식(Hummers method)이다.

화학적 박리법은 그래핀의 대량 생산에 가장 유리한 것으로 알려져 있으며, 이를 통해 얻는 산화 그래핀은 그래핀과는 달리 물에 잘 녹고 생분해가 가능한 것은 물론 ▷양친매성(극성, 비극성 용매에 대해 2가지 성질 모두에 친화성을 갖는 상태) ▷손쉬운 표면 기능화 ▷형광 소광 능력 등의 특성을 가지고 있어 생물학적 응용에 유망한 물질로 평가되고 있다. 아울러 산화 그래핀은 흑연의 각 층 결합력이 떨어져 잘 분산된다는 특징이 있는데, 이러한 특징은 절연체(전도체나 소자로부터 전기적으로 분리되어 있어 열이나 전기를 잘 전달하지 않는 물체)로 사용하기 적합하다. 그러나 강산을 이용한 흑연의 산화로 인해 환원 후 그래핀의 결함 및 산소 작용기의 완벽한 제거가 어렵다는 단점이 있다.