通常石墨烯與水不能很好的混合，當石墨烯在水中時，會出現“懸鍵”（水分子的氫原子會指向石墨烯表面），并且石墨烯附近的水分子不能形成3個以上的氫鍵，而純水中平均每個水分子有3.6個氫鍵。因此石墨烯及非極性碳氫化物會破壞水中的氫鍵從而引起疏水相互作用，從而導致石墨烯在水中難以溶解。另外石墨烯促進溶解在水中的納米氣泡在石墨烯表面形核，這也會加劇石墨烯的團聚和沉淀。石墨插入化合物可以在質子惰性溶劑中被剝離為單層石墨烯，從而產出熱力學穩定的負電石墨烯（graphenide）溶液。負電石墨烯是一種強還原劑，而有機溶劑對空氣和水分很敏感。近期George等人（DOI:10.1038/NCHEM.2669）實現了單層石墨烯層片均勻分布在除去氣體的水中，這種石墨烯水溶液在空氣中穩定，并且不需要添加表面活性劑。

在惰性氣氛中將石墨鉀溶解于四氫呋喃THF中形成單層負電石墨烯聚離子，隨后通過暴露在空氣中在THF內將負電石墨烯離子氧化為石墨烯，然后迅速轉移到脫氣的水中，在空氣中暴露的過程形成過氧化物陽離子和中性石墨烯。在正常的實驗條件下，溶于水中的氣體吸附在石墨烯表面導致分散的個體之間產生長程吸引力，從而促進團聚。相反的如果對水進行脫氣處理，水離子已經吸附在石墨烯的表面了，這種吸附使得分散的石墨烯層片帶有一定的電荷，靜電排斥作用可以使石墨烯片的分散狀態保持穩定。總的來說，在脫氣的水中，因為石墨烯片之間的彌散的吸引力很小和靜電排斥穩定性，石墨烯在脫氣水中的再聚集會急劇減慢。由于負電石墨烯氧化和水分解作用使得OH--離子自發吸附在石墨烯表面，石墨烯在水中帶電。當兩片石墨烯相遇時會產生排斥作用。因此石墨烯可以有效的分散在水中，濃度達到0.16g/L，并且可以穩定存放幾個月的時間。