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通过热量分析可以提供关于热稳定性的信息，或还原剂还原石墨烯片晶体结构的能力，在氧化过程中该能力可能会发生变化。我们了解，石墨是具有热稳定性的化合物。它的分解温度为600℃，而氧化石墨烯的分解温度为200℃，这是因为已加入石墨烯片中的氧原子的作用。如果对氧化石墨烯进行还原，即从表面上除去氧，其分解温度将升高，温度升高多少取决于所使用的还原剂。如果分解温度提高至600℃，石墨烯将与石墨类似。石墨、氧化石墨烯和还原石墨烯的热重分析通常在氮气流下使用热重分析仪来进行
下图给出了石墨、氧化石墨烯、还原石墨烯和官能化石墨烯的热重分析。
石墨在室温到600℃之间显示出几乎可以忽略不计的变化。石墨烯的重量呈直线下降，而氧化石墨烯在室温至200℃时重量急速下降，在200～600℃时重量呈逐渐下降趋势。热重分析是确定材料纯度及稳定性的有效方法。