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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下图所示。

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（一OH）、环氧基（一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。