核磁共振分析是为了获取结构信息，如sp²和sp³碳信息。

氧化石墨烯显示非晶态和非化学计量性质。这个属性使其实际结构难以理解。此外，氧化石墨烯显示出不同的氧化水平。氧化石墨烯纳米片的典型核磁共振谱如图4.17所示。

图4.17 氧化石墨烯的¹H核磁共振谱(www.daowen.com)

然而，列夫等（Lerf et al.，1997～1998）提出的结构已为业界所接受。这一结构基于固态核磁共振（NMR）光谱的使用，列夫和其同事们提出羟基（—OH）、环氧基（—O-）分散于石墨烯平面。羧基和酮基主要存在于石墨烯平面的边缘。一直有质疑sp²群聚是否存在于芳香烃中。由于仪器仪表和磁力不断得以开发，核磁共振已成为了解石墨烯结构非常有用的工具。事实上，列夫的模型就是基于¹³C核磁共振的结果。三个主要的峰（此次未显示）被分配至环氧组（60mg/kg）、羟基（70mg/kg）和sp²碳原子（129～130mg/kg）。

在核磁共振研究中，值得注意的是，在¹H核磁共振谱（接近2.8kHz）中水峰的半峰宽（极大值一半处的全宽度）在广泛的温度范围下（123～473K）几乎保持不变，表明水和氧化石墨烯之间有着极强的相互作用。这可能是氧化石墨烯能保持堆叠结构的重要因素。

官能化氧化石墨烯的¹³C核磁共振谱显示60%的碳原子是sp³或芳香碳。在半缩醛中也包含了羰基。碳主要以醇和环氧化合物的形式（有些也以半缩醛的形式）。进行杂化与氧化。剩下的40%是烯烃原子（sp²杂化）。其他主要为非官能化酯、酸、酮。