石墨和粘土是两种代表性的自然层状矿物，在人类文明发展史上被广泛地应用。层状材料自上而下的剥离，可以获得单层或者少层的二维纳米材料，通过组装可以构筑出三维宏观体。石墨的剥离可产生石墨烯，石墨烯的官能化衍生物——氧化石墨烯是本论文重点研究的二维纳米材料；通过氧化石墨烯的界面自组装，可实现三维石墨烯基宏观体的可控构筑，论文对这些宏观体的电化学性能进行了研究。二维纳米蛭石片层可以通过对蛭石进行离子交换剥离而获得，利用界面组装构筑出了具有均一层间距的柔性蛭石薄膜，并对离子在薄膜层间的传输行为进行了研究。本论文的主要内容包括:（1）由于双亲性结构特点，氧化石墨烯能在其水溶液的气液界面上富集形成宏观薄膜，也能作为表面活性剂将碳纳米管分散于水中形成稳定分散液。通过该分散液的气液界面自组装，构筑出了氧化石墨烯/碳纳米管柔性复合薄膜，并对复合薄膜的电化学性能进行了研究。（2）氧化石墨烯片层上的官能团赋予了它卓越的化学反应活性，能在某些金属或金属氧化物薄膜表面形成水凝胶。论文对这种固/液界面自组装过程提出了机理解释，并研究了水凝胶的力学性能，在此基础上对最终获得的气凝胶的吸附能力和电化学特性进行了系统研究。（3）完美石墨烯所具有的sp2杂化碳原子网络赋予了它优异的物理特性，而具有一定缺陷浓度的石墨烯拥有较高的化学活性。采用石墨烯作为铂基催化剂的基体，研究了石墨烯形貌对催化剂性能的影响。电化学测试结果揭示了缺陷石墨烯更有利于具有均一尺度的小尺寸铂纳米颗粒的生长，并且相应的铂基催化剂也显示出更强的抗毒能力。（4）采用离子交换法将蛭石进行剥离，得到了具有极大宽高比的二维纳米蛭石片层。这些二维纳米片层能够很容易地堆叠形成具有均一层间距的柔性蛭石薄膜，该薄膜具有很高的热稳定性，并且其纳米级层间距能为离子传输提供纳流体通道，薄膜的组装制备也就是成百上千纳流体通道的集成。本论文研究了质子在这种集成纳流体通道中的传输，电导测试结果显示在低浓度条件下质子的传输受蛭石片层表面电荷的控制。