Le graphène est l'une des formes de carbone. Comme le diamant et le graphite, les formes (ou "allotropes") du carbone ont des structures cristallines différentes, ce qui leur confère des propriétés différentes. Le graphène est la forme 2D (bidimensionnelle) de base d'un certain nombre d'allotropes 3D, comme le graphite, le charbon de bois, le fullerène et les nanotubes de carbone.

Le terme graphène a été inventé comme une combinaison de graphite et du suffixe "-ene" par Hanns-Peter Boehm, qui a décrit les feuilles de carbone à couche unique en 1962. Le graphène est comme une structure en nid d'abeille ou en "fil de fer", faite d'atomes de carbone et de leurs liaisons. Le graphite est constitué de plusieurs feuilles de graphène empilées les unes sur les autres.

Trois millions de feuilles de graphène empilées pour former du graphite n'auraient qu'un millimètre d'épaisseur.

Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à Sir Andre Geim et Sir Konstantin Novoselov "pour des expériences révolutionnaires concernant le graphène matériel bidimensionnel".

Les supercondensateurs au graphène font partie des applications possibles.