本发明公开了一种石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构及其制备方法和应用，属于材料领域。本发明的制备方法包括将厚度、尺寸可控的多孔膜与石墨烯贴合后得到石墨烯‑多孔膜复合结构，随后将其转移至金属微栅上，得到金属微栅‑石墨烯‑多孔膜复合结构；在所述金属微栅‑石墨烯‑多孔膜复合结构上再转移一片自支撑的石墨烯膜构成石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构，其中，液体被封装在多孔膜的圆柱形的孔洞中，同时上、下表面分别被石墨烯封装。本发明的石墨烯‑多孔膜‑石墨烯三明治液池结构可进行液相电镜成像或冷冻电镜成像。