W zależności od wybranej metody syntezy prekursora tlenek grafenu będzie posiadał różny stosunek ilości atomów węgla do tlenu. Możliwe jest także wprowadzenie heteroatomów w celu poprawy jego właściwości do zastosowania w konkretnych celach.
Obecność grup tlenowych znacząco zaburza aromatyczną sieć węgli o hybrydyzacji sp². W miejscach przyłączenia się grup funkcyjnych sieć grafenowa jest zdefektowana, co objawia się m.in. zmianą hybrydyzacji atomów węgla. Powstałe zaburzenie wpływa na właściwości fizykochemiczne tlenku grafenu (traci przewodnictwo elektryczne obecne w grafenie).
Właściwości Właściwości tlenku grafenu są zdeterminowane obecnością tlenowych grup funkcyjnych. Ich polarny charakter nadaje mu właściwości hydrofilowe, dzięki czemu GO – w przeciwieństwie do grafenu – dobrze miesza się z wodą. Tlenek grafenu bardzo słabo przewodzi prąd. Jest to spowodowane przede wszystkim znaczną ilością ugrupowań węglowych o hybrydyzacji sp³, jednakże kontrolowana redukcja prowadząca do usunięcia z powierzchni GO grup tlenowych i częściowego odtworzenia aromatycznego układu węglowego warunkuje zmiany elektrycznych właściwości GO. Pozwala otrzymać materiał o właściwościach przewodzących prąd elektryczny na poziomie przewodnictwa grafenu.