石墨烯與碳納米管是同素異形體，性質上有一些異同：由于二者碳碳鍵的結合方式，導致二者相似的力學性能和熱學性能，都表現為較高的熱導率；然而二者結構的差異導致它們迥異的光電性能和散熱方式。
石墨烯：簡單來說就是僅有一個院子尺寸厚度的單層石墨層片，是由sp2雜化的碳原子緊密排列成六方蜂巢結構的二維晶體。碳納米管：可以看作是由石墨片卷繞而成的無縫中空管；分為單壁納米管和多壁納米管。
石墨烯所具備的高比表面，良好機械性能，優異的導熱、導電能力使得它在催化方面也存在著巨大的潛能，一般以用于光催化、電催化、多相催化。例如：催化氧化苯甲醇、醛酮的縮合反應、硫醇的縮合反應、Friedel-Crafts反應等。
碳納米管具有極高的強度和硬度，耐熱、耐腐蝕性好，并具有尺寸小等特性。它獨特的納米中空結構，使得它有可能作為一種納米反應器。它有合適的孔徑分布，便于金屬組分更好地分散。尤其是表面性質，能依據人們的需要進行修飾，使其適合作為新型催化劑載體。目前，以碳納米管作載體的催化劑，在電催化、甲醇撥基化、合成氨、甲醇制氫、Fischer-Tropsc反應、氫甲酰化等領域都取得了比常規催化劑更好的效果。
石墨烯的散熱方式是熱傳導，即將熱源均勻地傳導鋪滿整個散熱片，通過增大散熱面積達到降溫效果。碳納米管的散熱方式是熱輻射，可將熱源中的熱能轉化為紅外線，快速將熱能轉成光能帶離熱源。在散熱效果上，碳納米管會略微優于石墨烯。
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