本发明公开了一种缺陷态单层石墨烯薄膜及制备方法和应用,所述制备方法为:将铜箔放置在低压CVD系统中,在H-2/Ar还原气氛的保护下,高温催化裂解甲烷分子在铜箔表面生长单层石墨烯薄膜;随后利用湿法转移过程将铜箔上的石墨烯薄膜转移至SiO-2/Si衬底上;利用等离子刻蚀技术在石墨烯薄膜的表面构筑新的缺陷位点。本发明制备的缺陷态单层石墨烯作为催化剂在臭氧作用下,将臭氧分子吸附到边缘活性位点附近,通过分子间电荷的转移催化产生·OH,实现水体环境中有机污染物的高效去除。